超寬帶紐扣式天線與人體之間的相互影響研究

于松濤 龔書喜 劉 英 洪 濤 姜 文

（西安電子科技大學 天線與微波技術重點實驗室，陜西 西安710071）

引 言

以人體為中心的通信系統可應用于體育、軍用、醫療等領域，例如人體健康監控，消防救援等.織物天線使用織物材料作為天線的介質，與傳統天線形式相比，織物天線具有良好的柔韌性，并且可以集成到人的衣物上，應用于以人體為中心的通信系統（Body-centric Wireless Communications System，BWCS）中，與手機，電腦等個人移動設備進行通訊，從而應用于各種個人通信業務中，為新一代的移動通信提供更大的設計靈活性.織物天線形式多樣、結構靈活，可舒適地穿戴于人體，既具有一定的隱秘性，又可滿足各種通信系統需求，近年來成為了眾多學者研究的熱點.

對于織物天線，大多數學者的研究主要集中在由柔性織物材料制成的平面天線及其與人體共形時的性能變化［1-4］.但是這種柔性平面天線受到壓迫時，很容易發生彎曲變形，使得天線不能正常工作.因此有學者提出了紐扣式天線［5-6］，這種紐扣式天線由于是采用金屬材料制成，不會發生變形，并且可以作為紐扣附加在衣物上，具有很好的隱蔽性.

由于超寬帶天線［7-9］在數據傳輸中具有耗能小，功率低的優點，非常適用于以人體為中心的通信系統.采用了工作在超寬帶頻段的紐扣式天線.該天線可以被當作紐扣很方便地集成到衣物上，從而在通信系統中不必再為天線提供額外的空間，并且對使用者而言，該天線具有很好的隱蔽性和舒適性.由于在實際應用中，天線將工作在人體附近，而人體作為介質將影響天線的性能，因此著重研究了天線與人體之間的相互影響，討論了當天線在人體附近不同頻率時天線輻射性能受到的影響，以及兩天線在人身體上不同位置時的相互傳輸性能所受到人體的影響，同時也通過對天線電磁波吸收輻射率（Specific Absorption Rate，SAR）值的仿真研究了天線對人體的輻射影響.這部分內容已有文獻研究的很少.仿真和實測結果表明，天線在人體附近工作時具有良好的輻射性能，同時對人體的影響符合相關標準，適用于以人體為中心的通信系統.

1 天線的結構與輻射性能

天線結構如圖1所示，天線主要由一個金屬圓錐和一個金屬圓柱結合組成.天線的介質為介電常數為1.3的織物材料，介質的介電常數通過雙層帶狀線法［10］測量得出.天線地板為與天線介質等大的正方形金屬地板.天線通過穿過地板中心的同軸線進行饋電.圓錐的漸變結構使得天線具有多個諧振點，可有效的提高天線帶寬.天線的各參數通過Ansoft公司的HFSS 13仿真優化得到，如表1所示.

表1 天線參數

圖1 天線結構圖

天線仿真和實測S11曲線如圖2所示，從圖2中可以看出實測和仿真的天線S11曲線吻合良好.天線在6，10GHz時的E面和H面仿真和實測方向圖如圖3所示，從圖中可以看出天線的實測方向圖與仿真方向圖吻合良好，天線的H面方向圖具有良好的全向性，并且在整個頻帶內保持穩定.相較于一般的超寬帶天線，本天線的輻射方向圖在高頻處保持了良好的全向性，沒有發生裂瓣，由于著重討論天線與人體之間的關系，因此對天線的設計過程和輻射性能不再著重討論.

圖2 天線仿真與實測S11對比圖

圖3 天線的仿真和實測方向圖

2 人體與天線之間的影響

2.1 天線對于人體的影響

由于天線將工作在人體附近，通過天線的SAR值來研究天線對人體的影響，特別是天線對人頭部的電磁影響.SAR即為單位質量生物組織吸收的電磁功率與生物組織質量之比，其數值的大小反應了天線對人的電磁影響程度.為了研究本天線的SAR值，使用HFSS電磁仿真軟件仿真了天線對人體頭部和人體上半身的SAR值.

其中，人體部分組織的介電常數由公式1和表2得出［11-12］，如表3所示.

式中：ε∞是材料在太赫茲時的介電常數；σj是離子電導率；εm，τm和αm是材料的每個離散區間參數.

表2 人體組織參數

表3 人體組織在不同頻率時的介電常數

如圖4所示，頭部仿真模型由腦組織液和球形外殼組成，其中腦組織液和球形外殼用于模擬簡易的人體頭部模型［13］.腦組織液的相對介電常數見表3，外殼的相對介電常數為4.6.同時使用一個四層橢圓形圓柱體表示人體的上半身，外層為皮膚平均厚度為2mm；第二層為脂肪，平均厚度為5mm；第三層為肌肉，平均厚度為10mm；第四層為內臟，厚度大于30mm，各組織的相對介電常數見表3，其中為了便于仿真，用心臟的介電常數作為了人的內臟的介電常數.分別假設天線位于人體肩部和胸部，天線對人體最大SAR仿真結果如表4和表5所示，其中人腦處最大的SAR為0.9w／kg，人胸部最大的SAR為0.8w／kg，小于國際非電離輻射防護委員會規定限值：2w／kg.

圖4 人體頭部模型

表4 人腦在不同頻率時的最大SAR值

表5 人胸部在不同頻率時的最大SAR值

2.2 人體對于天線的影響

在實際應用中，紐扣式天線需要在人體附近工作，而人體作為介質，會對天線性能產生影響.因此下面討論人體對于天線的影響.天線首先被放置在距人胸部8mm處，其中天線的地板與人的胸部平行，8mm的空隙是為SMA接頭留出的放置空間.與天線被放置在空氣時相比，此時實測的天線S11變化很小，如圖5（a）所示.同時當人運動時，天線的性能有可能受到影響，因此研究了天線在人的手臂處于不同狀態時，天線S11的變化，如圖5（b）所示.從圖5（b）中可以看出，手臂的舉起與放下對天線S11的影響很微弱.

圖5 在人體附近時天線S11的對比圖

圖6為4GHz和10GHz時，天線放置在空氣中和人體胸上的對比方向圖，其中人體模型采用了表3給出的各組織在4GHz和10GHz時的介電常數.可以看出，天線方向圖受到的影響不大.因此當天線放置在人胸部時，天線輻射性能基本不變.這是由于天線的地板已經足夠大，減小了人體對于天線的影響.

圖6 天線在空氣中和在人體附近時的方向圖

由于在實際應用中，可能需要多個天線同時工作以覆蓋整個空間，而多天線放置于同一平臺時，有可能因互耦而影響天線的性能.因此下面對兩個紐扣式天線之間的隔離度進行了測量.圖7是天線在人體上可能放置的幾個位置.當兩個紐扣式天線放置在肩部時（點1-點2），與兩天線保持相同距離在空氣中時的測量結果相比，如圖8（a）所示，天線之間的隔離度增大了約10dB，這是由于頭頸部的存在阻礙了天線之間的傳輸.而當兩個紐扣式天線放置在胸部襯衣紐扣的位置時（點3-點4），與在空氣中時相比，如圖8（b）所示，天線之間的隔離度基本不變，這是由于人體胸部是平坦的，對于天線之間的傳輸沒有阻礙作用.圖8（c）給出了一個天線放置在點5，而另一天線分別放置在點6，點7和點8時的隔離度，其中點8在人的背后，可以看出點5到點7相較于點5到點6，天線之間的隔離度有所增加，這主要是由于天線之間距離的增加所造成的，而點5到點8，兩個天線之間的隔離度相較于其它兩條曲線則明顯增大，這顯然是由于人體軀干的存在阻礙了天線之間的傳輸.兩天線在人肩部以及前后兩側時隔離度的增大表明天線的抗干擾能力強，有利于紐扣式天線與人體外的天線進行通信，也更利于日后將多個天線設置于人體的不同位置，以覆蓋整個空間.

圖7 天線在人身體上的不同位置點

圖8 兩天線在不同位置時的S21對比圖

3 結 論

基于一種采用織物材料為介質的超寬帶紐扣式天線，討論了天線與人體之間的相互影響，分析了在不同頻率時天線的回波損耗和方向圖受到的影響，兩個天線在空氣中和人體上不同位置時，天線之間的隔離度的變化，以及通過對SAR值的仿真，來表明天線對人體的輻射影響.仿真和實測結果表明天線的結構使得天線的地板有效地減小了天線放置在人體胸部時人體對天線輻射性能的影響和天線對人體的影響.兩天線放置于人體的肩部兩側及胸前和背部時，天線之間的傳輸系數增大，這也有利于未來在人體附近放置多天線以覆蓋全空間，天線對人體的輻射影響符合相關標準，綜上所述，該天線適用于以人體為中心的通信系統.

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