2.45 GHz柔性可穿戴織物天線的設計與研究

許德成，田小建，郭小輝，劉 微

(1.吉林大學電子科學與工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林師范大學信息技術學院，吉林 四平 136000；3.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

2.45 GHz柔性可穿戴織物天線的設計與研究

許德成1，2，田小建1，郭小輝3，劉 微2

(1.吉林大學電子科學與工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林師范大學信息技術學院，吉林 四平 136000；3.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

基于柔性織物基體石墨烯/聚苯胺填充PDMS制備柔性導電復合材料，提出一種工作于2.45 GHz的柔性織物天線，旨在提升人體中心通信系統中柔性天線的穿戴舒適性.闡述柔性織物天線的拓撲結構、制備流程及性能特點，通過尺寸優化可實現2.45 GHz中心頻率處實測回波損耗為-22.6 dB，-10 dB帶寬為165 MHz，增益方向圖與仿真結果保持良好的一致性，同時，建立的天線接近人體模型，研究了天線距人體組織不同位置處SAR值及輻射性能.提出的柔性織物天線及制備方法為可穿戴設備無線通信中柔性天線的設計提供了一種解決方案.

柔性天線；織物天線；石墨烯；聚苯胺；可穿戴

隨著人體中心通信技術的快速發展，穿戴式電子產品逐漸普及，具備柔性、可形變、易穿戴特點的新型天線成為無線體域網(Wireless Body Area Network，WBAN)中研究的熱點之一[1].

近些年，以PDMS[2-3]、PET[4]、聚四氟乙烯玻璃纖維[1]等柔性基體及銀納米顆粒[5]、銀納米線[3]、碳納米管[6]、ITO[7]、銅箔[8-9]等為導電材料制備柔性可穿戴天線取得了良好效果.上述基體雖具有良好的柔性，卻存在不易集成于衣服、穿戴舒適性差等弊端，為提升新型柔性天線的穿戴舒適度，基于織物質軟、透氣、可清洗、易于與穿戴式系統集成等優勢[10]，以織物為基體，通過在其表面印刷微帶天線拓撲結構并制備柔性織物天線成為可穿戴天線的一種發展趨勢[5，11-12].具有二維平面結構的石墨烯因其光學透明、優良的電學性能和機械性能被應用于傳感器[13]、天線[14-15]等研究領域中.

微帶天線在兼備天線性能的同時，還具備低剖面、易共形、體積小等優點[16]，在可穿戴天線研究領域中具備重要的研究意義和廣闊的應用前景.本文以織物為柔性基體，選用石墨烯與聚苯胺填充PDMS(Polydimethylsiloxane)制備柔性導電貼片與接地平面，設計一款工作于2.45 GHz的柔性可穿戴織物微帶天線.

1 織物天線設計

1.1 天線拓撲結構

圖1為本文提出柔性可穿戴織物天線的拓撲結構及尺寸參數示意圖，選用石墨烯和聚苯胺制備高導電性輻射貼片與接地平面，并基于絲網印刷技術在丁尼布織物兩面制備織物微帶天線.依據傳輸線模型及丁尼布的特性參數(介電常數εr=1.68，損耗角tanδ=0.03[17-18])，對柔性織物天線進行優化設計.

圖1 柔性織物天線拓撲結構及尺寸參數示意圖

1.2 織物天線制備

柔性可穿戴織物天線的制備流程如圖2所示，在質量分數為30%的石墨烯和30%的聚苯胺中加入適量分散劑并進行超聲分散(VCY-300，上海研永)30 min，然后加入一定固化比例的PDMS，使用磁力攪拌機(FDWTC-D型，上海復旦天欣科教儀器有限公司)均勻攪拌30 min以制備石墨烯/聚苯胺/PDMS復合導電材料.

圖2 柔性織物天線制備流程示意圖

依據圖1中柔性織物天線拓撲結構和尺寸參數信息，制備掩模板并成型，使用環氧型導電銀膠(YC-01，南京喜力特膠黏劑有限公司)將SMA插座與饋電面連接以備天線性能表征.使用ST-2258C型多功能數字式四探針測試儀(蘇州晶格電子有限公司)測試石墨烯/聚苯胺/PDMS復合導電材料的方阻約為48.3 Ω.圖3為提出柔性可穿戴織物天線的實物圖，該織物微帶天線具備良好的柔性，為穿戴舒適度提供了保障.

圖3 柔性可穿戴織物天線實物圖

2 織物天線仿真與測試

利用電磁仿真軟件HFSS對提出的柔性可穿戴織物微帶天線進行性能仿真優化，并完成天線樣品制備，使用矢量網絡分析儀(ZNB8，Rohde & Schwarz)測試織物天線的特性.柔性可穿戴織物微帶天線的回波損耗仿真與實測結果如圖4所示.由圖4可知，在中心頻率2.45 GHz處實測其仿真與實測回波損耗分別為-36.2和-22.6 dB，-10 dB 帶寬約165 MHz，滿足工程要求.

圖4 柔性織物天線回波損耗仿真與實測結果

天線方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關系的圖形[19]，為驗證本文提出柔性可穿戴織物天線在2.45 GHz處中心頻率的輻射特性，在暗室中對該柔性可穿戴織物天線進行遠場參數測試(如圖5和6所示).從圖5和6可以看出，其XOZ與YOZ平面的方向圖仿真結果與實測結果保持良好的一致性，驗證了所提出柔性可穿戴織物天線的可行性.

圖5 XOZ平面仿真與實測增益方向圖

圖6 YOZ平面仿真與實測增益方向圖

柔性織物天線面向穿戴式系統應用，通常采用比吸收率(Specific Absorption Ratio，SAR)定量衡量天線輻射能量對人體組織的影響，局部SAR的計算公式為

(1)

其中σ為導電率，E為電場強度的均方根值，ρ為人體組織密度.文獻[18，20]給出了2.45 GHz時三層人體組織模型(包括皮膚、脂肪和肌肉)的電磁參數，在HFSS下建立如圖7所示的天線接近人體模型.

圖7 HFSS下三層人體組織模型

改變天線與人體表面的距離參數(h為1，3和5 mm)，并進行如圖8所示(選取h=3 mm)的SAR仿真分析，表1給出了h取不同值時1 g人

圖8 SAR仿真結果

體組織的最大SAR值，隨著h增加，其SAR值逐漸降低，均小于1.6 W/kg的標準.

表1 不同距離下的SAR值

圖9為2.45 GHz工作頻率下天線模型與人體組織模型在不同距離下的回波損耗仿真結果，當天線與人體組織模型較近時，其中心頻率會發生輕微偏移，然而，其-10 dB帶寬、回波損耗等性能仍能滿足要求.

圖9 天線距離人體不同位置時的回波損耗

3 結論

基于柔性織物和石墨烯/聚苯胺/PDMS復合導電材料提出了一種柔性織物微帶天線，提升了柔性天線的穿戴舒適性.介紹了織物天線的拓撲結構、制備流程以及性能特點，可實現2.45 GHz 中心頻率處實測回波損耗為-22.6，-10 dB帶寬為165 MHz，增益方向圖與仿真結果保持良好的一致性.通過建立的天線接近人體模型，研究了人體對天線性能的影響.仿真結果顯示SAR低于1.6 W/kg的標準，為可穿戴天線提供了一種實現方法.

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(責任編輯：石紹慶)

Design and research of flexible wearable textile antenna for 2.45 GHz

XU De-cheng1，2， TIAN Xiao-jian1， GUO Xiao-hui3， LIU Wei2

(1.College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China；2.College of Information Technology，Jilin Normal University，Siping 136000，China；3.School of Electronic Science & Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

In order to improve the wearing comfort of body centric wireless network，a flexible textile antenna based on graphene/PANI/PDMS composites and fabric flexible substrate was proposed in this paper for 2.45 GHz. The geometry and dimensions of the proposed antenna were illustrated and optimized; and the measured reflection coefficient and -10 dB bandwidth achieved -22.6 dB and 165 MHz，respectively. The radiating properties were also characterized and the measured results showed a good correlation with the simulated results. Meanwhile，the SAR under different distances was also studied based on phantom model in HFSS with three-layer tissue. The proposed antenna and preparation methods provide a feasible solution to the design of flexible antenna for wearable wireless communication system.

flexible antenna；textile antenna；grapheme；PANI；wearable

1000-1832(2016)04-0088-04

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.019

2016-08-02

國家自然科學基金資助項目(61305082).

許德成(1977—)，男，博士研究生，講師，主要從事傳感器、嵌入式控制系統、微波與天線技術等研究.

TP 391.9 [學科代碼] 520·60

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