可穿戴式的八木宇田天线设计外文翻译资料

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可穿戴式的八木宇田天线设计

B. Sakthi Abirami and Esther Florence Sundarsinghhina

摘要：本文提出了一种电磁带隙结构，并提出了一种可穿戴式的八木宇田天线。该天线采用铜箔纸带和聚酯薄膜制成，具有弹性。该天线用于工作在2.4 GHz的工业、科学和医疗无线电波段。这种提出的八木宇田天线可以获得高增益、端射辐射模式和减少路径损耗。天线被穿戴在人身上时，还利用电磁带隙表面来减少天线的失谐频率和在增加天线增益时的电磁波吸收比。当天线使用这种电磁带隙结构时，天线增益增加了60%，并且电磁波吸收比从8.55 W/kg降到了0.07 W/kg。

关键词：电磁带隙，可穿戴式天线，路径损耗，电磁波吸收比

EBG-Backed Flexible Printed Yagi–Uda Antenna for On-Body Communication

B. Sakthi Abirami and Esther Florence Sundarsinghhina

Abstract：An electromagnetic bandgap (EBG) structure backed,printed Yagi–Uda antenna for on-body communication is proposed inthis communication. The proposed antenna is flexible, made of copperfoil tape and polyester sheet. The antenna operates at 2.4-GHz industrial,scientific and medical radio band. A printed Yagi–Uda is used to achieve high gain, endfire radiation pattern, and decreased path loss. An EBG surface is also used to reduce the frequency detuning of the antenna and specific absorption rate (SAR) while increasing the antenna gain when placed on human body. Antenna gain has been increased by 60%, and SAR has been decreased from 8.55 to 0.07 W/kg when the antenna is backed with EBG.

Key words：Electromagnetic bandgap (EBG), on-body communication, path loss, specific absorption rate (SAR)

1. 介绍

无线体域网对卫生保健而言意义重大。在满足日益增长的远程医疗和健康监测的需求时，可穿戴式天线起着至关重要的作用。为了发展远程医疗和健康监测系统，人们开展了大量的研究活动[1]。为了获得最佳性能，可穿戴式的天线在需要提供可靠的通信链路的同时也需要灵活、耐用。同时天线应满足联邦通信委员会的关于可穿戴式电子产品下人类安全问题的要求。

由于人体是一种有耗介质，所以天线在接近人体工作时，性能会大大降低。因此，设计的天线必须是接近人体工作时也能正常工作，体积较小，并且最小化路径损耗和电磁波吸收比[2]-[6]。为了满足上述要求，该天线的基片必须是具有弹性的防水织物。设计一种表现优秀的可穿戴式窄带天线可能比较困难。此外，纺织材料作为天线基片容易出现不连续的问题。以前,有一些包括平面单极子[9]、倒F型[10]和叠层微带贴片[11]的天线结构的研究。研究表明，平面单极子天线虽然结构紧凑，但当放置在物体上时，电磁波吸收比的观测值也有所增加。叠层微带天线不具有正形特征。共形倒F天线表明，由于它们的近向全向辐射，一个超出规定剂量的辐射量是指向身体的。除了常规地平面[13], [14]外，还研究了利用高阻抗表面[15], [16]和人工磁场导体[6]的周期性结构来增强天线与人体之间的隔离。在这种通信中，采用电磁带隙表面来提高天线增益，减小路径损耗。这使得和人体的隔离度提高，天线增益增强，电磁波吸收比[17]降低，同时保持了良好的阻抗匹配。这种天线设计如下所示。第二部分和第三部分描述了基于电磁带隙的八木宇田天线设计及其用于可穿戴式设备的通信时，在2.4 GHz下进行的模拟性能。第四部分简要讨论了天线在自由空间和本体上的测量结果。第五部分分析了路径损耗。最后在第六部分得出结论。

1. 一种工作在2.4 GHz的基于电磁带隙的八木宇田天线的设计

本文提出的八木宇田天线设计适用于2.4 GHz的谐振频率，双向端射辐射模式被转换成了采用电磁带隙的单向近端射模式。使用基于有限集成技术的仿真软件进行仿真。该天线可以灵活地穿戴在用户的身体上。由于上述限制,我们使用厚度为0.1 mm、介电常数为2.8[18]、损耗角正切为0.0045[19]的聚酯片作为天线和天线下面的电磁带隙阵列的基片。这两者由介电常数为1.03的聚苯乙烯泡沫塑料分隔开。设计中使用的铜箔厚度为0.0625 mm，薄板电阻为0.005 Omega;/sq[20]，天线大小为135 mm times; 135 mm，工作在2.4 GHz。

2.1所提出的八木宇田天线设计

如图1所示，本文所提出的天线是一个三元八木宇田天线阵列，由一个短的偶极子激励元件作为有源元件，反射器和引向器作为无源元件。这三个元件是共线的金属杆。半波偶极子是由50 Omega;同轴馈源馈电的。从三元八木宇田天线阵列分析获得了设计尺寸[21]。另外馈线还要有阻抗转换的作用，因此，给激励元件的馈源是一个平衡馈源，其阻抗约等于50 Omega;，与同轴电缆的50 Omega;阻抗匹配。

图1 所设计的八木宇田天线俯视图 单位：毫米

2.2新型电磁带隙单元设计

电磁带隙结构作为一种周期性结构，它可以防止或帮助所有入射角和偏振相位的频率范围内的电磁波在特定频段内的传播[17]。电磁带隙单元尺寸等于导波长的一半，利用粒子群优化算法优化。使用基于弗洛凯理论周期性边界条件为0°相位反射频率得到该电磁带隙单元几何尺寸的近似模拟。电磁带隙单元的优化尺寸如图2所示。

2.3基于电磁带隙结构的八木宇田天线设计

本文所设计提出的八木宇田天线结合所设计的电磁带隙表面后，天线的性能表现大大提升。这里的电磁带隙是一个3 times; 3的阵列。天线和电磁带隙单元中间是市面上常见的聚苯乙烯泡沫塑料，具有弹性。基于电磁带隙的八木宇田天线如图2所示。

图2 所提出的基于电磁带隙的八木宇田天线俯视图

1. 模拟结果和讨论

这一部分比较了八木宇田天线和基于电磁带隙的八木宇田天线在自由空间和人体上的结果。

3.1自由空间时的情况

普通的八木宇田天线是大约-24 dB的反射系数和3.41 dB的增益系数，基于电磁带隙的八木宇田天线是大约-15 dB的反射系数和8.5 dB的增益系数。电磁带隙表面将双向端射辐射模式[6]转换为离轴近端射模式，这有助于增加后续的路径增益。

3.2人体时的情况

当设计的八木宇田天线被放置在身体上时，由于人体是有耗介质，会发生频率失调。在文献[2], [22]中常用的矩形体模型用来描述接近人体的天线，以减少计算过程的复杂性，如图3所示。这个模型包括皮肤，脂肪和肌肉层的介电常数，电导率和厚度[23]-[25]，模拟了身体的不同部位，如手臂、胸部、腰部和背部等。普通八木宇田天线和基于电磁带隙的八木宇田天线在自由空间和人体附近的反射系数和辐射系数如图4,5所示。当八木宇田天线被放置在人体上时，大约有16.6%的失谐发生。在自由空间中，普通平面八木宇田天线的带宽为345 MHz，基于电磁带隙的八木宇田天线的带宽为33 MHz。在满足工业科学医疗带宽要求的情况下，带宽的减少将减少干扰。

图3 八木宇田天线放置在矩形人体模型上时的分解视图

图4 所提出的八木宇田天线在自由空间中和人体上的模拟反射系数曲线

图5 所提出的八木宇田天线在自由空间中和人体上的模拟辐射特性曲线

辐射特性表明，基于电磁带隙的八木宇田天线和普通八木宇田天线相比天线增益增加了60%，在自由空间中前后比从6.8 dB增加到了14.8 dB,在人体上从4.1 dB增加到了15.6 dB。电磁波吸收比是衡量人体组织吸收的电磁能量的指标[2]。本文提出的天线应符合IEEE c95.1 - 2005标准所规定的电磁波吸收比的值。当没有电磁带隙结构的天线被放在人手臂上，输入功率为1 W时，电磁波吸收比的峰值会达到8.55 W/kg(10g)。当采用基于电磁带隙的八木宇田天线时，电磁波吸收比降低了99.2%，即0.0698 W/kg(10g)，符合了欧洲标准2.0 W/kg(10g)。表1给出了当天线放置在人体的不同位置时，人体区域的介电常数、人体区域的平均尺寸[26]，[27]，以及电磁波吸收比值。图6显示了放置在人手臂上的模拟电磁波吸收比。表2总结了天线参数的仿真值。

表1 在人体不同区域放置的八木宇田天线模拟电磁波吸收比值

图6 天线放在人手臂上时的模拟电磁波吸收比值 (a)普通八木宇田天线(b)基于电磁带隙的八木宇田天线

表2 在自由空间中和人体上模拟的八木宇田天线的天线参数值

1. 测量结果

在无回声室中测试了普通八

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