用于體域網(wǎng)無線能量傳輸?shù)亩ㄏ蚣~扣天線研究

王宜穎，徐遠(yuǎn)錚，周成貴，曾昭峰，逯貴禎

（1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.中國傳媒大學(xué)，北京 100024）

1 引言

用于監(jiān)測生理信號或無線通信的手環(huán)、手表等可穿戴設(shè)備已經(jīng)步入到我們的日常生活。可以預(yù)測，隨著技術(shù)的發(fā)展，以柔性材料為襯底的相關(guān)通信技術(shù)也將陸續(xù)出現(xiàn)。未來6G通信的需求更為相應(yīng)的體域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

目前以柔性材料為主的體域網(wǎng)研究主要集中在三個方面，即人體通道特征研究［1-3］、用于體表體外通信可穿戴天線技術(shù)研究［4-10］和植入式無線能量傳輸研究或能量收割技術(shù)研究［11-13］。關(guān)于人體通道特征，學(xué)者們分別研究了不同位置的路徑損耗［1］、體表上點(diǎn)對點(diǎn)通信［2］和統(tǒng)計路徑損耗模型［3］。相應(yīng)的可穿戴天線類型有縫隙天線［4］、分形天線［5］、方向圖可重構(gòu)天線［6］、準(zhǔn)八木天線［7］和紐扣天線［8-10］等。其中，為了減少天線對人體的輻射，在設(shè)計可穿戴縫隙天線時添加了電磁帶隙技術(shù)［4］。而紐扣天線作為一種新穎的天線結(jié)構(gòu)于2009年被提出，由于其全向輻射的特性多用于研究體表傳輸特性，同時研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)不易受到人體活動的影響［8-10］。文獻(xiàn)［8］研究了雙極化雙頻段的紐扣天線以適應(yīng)無線局域網(wǎng)的應(yīng)用，而在文獻(xiàn)［9］中研究者采用圓形條帶、Y型和L型縫隙實現(xiàn)了天線的三頻帶和小型化特征；文獻(xiàn)［10］實現(xiàn)了全向輻射的圓極化天線設(shè)計。此外，植入式無限能量傳輸收割技術(shù)的研究主要集中在通過設(shè)計植入式天線對患者進(jìn)行術(shù)后監(jiān)測等功能［11］，以及為了解決以后可穿戴設(shè)備的充電問題，能量收割技術(shù)也逐漸被重視［12-13］。

可以看出，在未來體域網(wǎng)中不僅需要通信技術(shù)，更需要能量傳輸技術(shù)。但是，目前所提出的體內(nèi)無線能量傳輸主要用于體內(nèi)傳輸，目的是解決醫(yī)療健康方面的疾病，而對于體表無線能量傳輸卻沒有相關(guān)的研究。于是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，體表無線能量傳輸?shù)睦砟睿?4］被提出，目的是通過人體活動產(chǎn)生的動能給體表或體內(nèi)的可穿戴設(shè)備進(jìn)行充電，這樣不僅可以實現(xiàn)能量供給，還可以實現(xiàn)與外界的通信。為了更加有效地實現(xiàn)能量供給，本文研究基于人工磁材料（AMC）實現(xiàn)沿體表定向輻射的紐扣天線。該天線主要由頂部加載介質(zhì)材料的單極子天線、平行于天線的AMC周期結(jié)構(gòu)和微帶饋電三部分組成。將兩個相同的定向天線分別放置于手臂彎曲處（無線能量傳輸天線）和大臂處（通信天線)，研究體表無線能量傳輸?shù)奶卣鳌?/p>

2 定向紐扣天線

2.1 AMC結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)定向輻射的技術(shù)是加載反射板，這樣不僅可以提高天線的增益還可以減小后向輻射。常規(guī)的反射板由金屬面（PEC）構(gòu)成，此時要求天線距離PEC的長度為1/4λ，這里λ為電磁波的波長。若將這一距離應(yīng)用到可穿戴紐扣天線的設(shè)計中，就會造成天線整體尺寸過大，不利于天線的小型化和集成化。因此，需要一種新的結(jié)構(gòu)作為反射板，既可以滿足全反射需求，又可以實現(xiàn)天線的集成化。

人工磁導(dǎo)體（AMC）是一種電磁超表面結(jié)構(gòu)，由邊界條件可知，其具有很高的表面阻抗。依據(jù)電磁波的傳播特性可得，以AMC作為反射板時，天線與其之間的距離遠(yuǎn)小于一個波長。相較于PEC而言，AMC可以減少單極子天線與其之間的間距，并通過適當(dāng)調(diào)整單極子天線頂部加載介質(zhì)的尺寸，實現(xiàn)單極子天線和AMC加載的一體化。

依據(jù)文獻(xiàn)［15-16］中提及的理論和方法，針對ISM頻段中的5.8 GHz頻段，本文設(shè)計出的方形AMC結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，圖1(a）為最終的3×3周期單元結(jié)構(gòu)，而圖1(b）為相應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)。

圖1 AMC結(jié)構(gòu)

每個AMC單元由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為上層的諧振金屬結(jié)構(gòu)層、中間介質(zhì)層和位于最下方的完整金屬地面層。其中，位于中間層的介質(zhì)基板是常規(guī)尺寸的微波材料F4B，其相對介電常數(shù)為6.15，損耗角正切值為0.0045，厚度為1.5毫米。該厚度影響著AMC結(jié)構(gòu)的諧振頻率，或者說可以根據(jù)具體的厚度來設(shè)計出相應(yīng)的AMC單元。另外，上層的金屬結(jié)構(gòu)采用上下和左右互相對稱的設(shè)計，通過調(diào)整上下內(nèi)插T型結(jié)構(gòu)的尺寸可以調(diào)整單元的諧振特性和單元的反射相位。最終的AMC單元尺寸見圖1(b）所示，這里的單位是毫米。其中，介質(zhì)基板四周比上層AMC結(jié)構(gòu)均長0.1毫米。采用CST軟件對該尺寸所對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真，對應(yīng)的結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a）和圖2(b）分別表示AMC結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)和相位分布。從中可以看出，在諧振頻點(diǎn)處可以實現(xiàn)全反射，因其實部接近1、虛部接近0；而且其?90°至90°的反射相位保證了AMC的全反射特性。

圖2 AMC單元結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

2.2 定向紐扣天線結(jié)構(gòu)

紐扣天線的輻射體是單極子天線，設(shè)計時采用微帶線進(jìn)行饋電。未加載AMC結(jié)構(gòu)的示意圖如圖3(a）所示，從上到下分別為圓形頂部加載介質(zhì)層、圓柱介質(zhì)層、單極子天線、底部圓形加載層、微帶饋電線、微帶線介質(zhì)層和微帶線地面層組成。其中，單極子天線圓形頂部和底部加載介質(zhì)基板為微波復(fù)合材料TP，其材料電參數(shù)分別為ε=10.2，tanδ=0.0013；單極子頂部加載的圓柱介質(zhì)為FR4環(huán)氧棒；微帶饋電線采取全織物設(shè)計，其中微帶線和地面均采用導(dǎo)電織物（電阻率小于0.05，材料為金屬鎳和銅的復(fù)合物），而襯底層為100%全棉織物，其厚度為1.5毫米、相對介電常數(shù)和損耗角正切值分別為1.6和0.02。

定向紐扣天線結(jié)構(gòu)如圖3(b)、(c）和（d）所示。其中，圖3(b）為在5.8 GHz加載AMC結(jié)構(gòu)時沿xz平面的側(cè)視圖，圖3(c）為加載AMC結(jié)構(gòu)時沿xy平面的俯視圖，圖3(d）為加載AMC結(jié)構(gòu)時沿yz平面的正視圖。從中可以看出，AMC結(jié)構(gòu)被加載到了靠近微帶線饋電的一側(cè)，這樣可以減少單極子天線輻射對微帶線饋電的影響。另外，由于AMC結(jié)構(gòu)的橫向尺寸與圓形頂部加載介質(zhì)的直徑相同和AMC結(jié)構(gòu)與單極子天線間距較小，可以使AMC結(jié)構(gòu)和頂部加載的單極子天線能較好地融合為一體。最終優(yōu)化后的天線參數(shù)值如表1所示，相應(yīng)的天線原型實物圖見圖4。

圖3 定向紐扣天線結(jié)構(gòu)

圖4 定向紐扣天線實物

表1 天線尺寸（單位：毫米）

3 結(jié)果分析

3.1 仿真軟件選擇

CST軟件在仿真周期超材料結(jié)構(gòu)時采用具有頻域有限元算法的頻域求解器進(jìn)行仿真，具有建模簡單、仿真速度快和計算準(zhǔn)確的優(yōu)勢。而XFDTD軟件在計算人體吸收率時，采用時域有限差分算法，在分析生物電磁效應(yīng)方面的數(shù)據(jù)更具有準(zhǔn)確性，故此仿真時采用CST得到超材料結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)果導(dǎo)入XFDTD中進(jìn)行對比。

基于超材料結(jié)構(gòu)的天線性能對比分析展示在圖5，這包括了反射系數(shù)和E面主極化的極坐標(biāo)圖對比。從中可以看出兩個軟件的仿真結(jié)果由于算法的不同而產(chǎn)生了一定的偏差，但是仍然具有很好的一致性，所以下面討論的仿真結(jié)果均基于XFDTD軟件。

圖5 CST&XFDTD仿真對比

3.2 手臂對天線性能影響分析

由于本文研究的重點(diǎn)是放置于手臂上的無線能量傳輸天線技術(shù)，故針對特定個體進(jìn)行建模。所研究的對象是身高165厘米、體重52公斤、年齡為26歲的中國女性，通過3D掃描成像設(shè)備對其手臂進(jìn)行掃描，再通過縮放原理建立真實的三層固態(tài)模型［14］。這里仍然將負(fù)責(zé)無線能量傳輸（WPT）的天線放在手臂彎曲處，目的是將手臂運(yùn)動產(chǎn)生的動能進(jìn)行收集和發(fā)射；將負(fù)責(zé)通信的天線模塊放置大臂處，負(fù)責(zé)收集無線能量傳輸天線發(fā)射過來的能量，進(jìn)行必要的體表和體外通信，并且與WPT天線相距為140毫米。據(jù)此可以更精確地研究手臂和天線的相互影響。天線反射系數(shù)的對比分析展示在圖6中。其中，圖6(a）展示了考慮手臂存在時仿真和測量反射系數(shù)的對比，測量的諧振頻率相對仿真而言向高頻偏移了160MHz，相對偏移僅為2.8%；測量所得的相對帶寬也在一定程度上被展寬，這是因為饋電的織物微帶線部分無法被精確的模擬導(dǎo)致，這也是織物天線中普遍存在的情況?？傮w而言，二者吻合較好。圖6(b）展示了僅在手臂上放置WPT天線和同時放置通信天線情形下的結(jié)果對比，可以看出WPT天線的諧振頻率會往高頻偏移、帶寬也會減少。這主要是由于兩個天線位置太靠近形成了一定的耦合，并且由于手臂存在表面波也是一個主要的影響因素；該結(jié)果與文獻(xiàn)［14］中所采用的八木宇田天線具有類似的特征。

圖6 定向紐扣天線參數(shù)特性

基于上述反射系數(shù)的對比結(jié)果，對WPT天線和通信天線間的傳輸系數(shù)進(jìn)行了仿真和測量分析，如圖7所示。其中，黑線是仿真結(jié)果，帶圓形的黑線代表測量結(jié)果?？梢钥吹剑抡娴那€隨著頻率的增加而逐漸減少，而測量結(jié)果正好具有相反的趨勢，但是二者在所關(guān)心的5.8GHz的頻段內(nèi)誤差僅在2dB以內(nèi)，這能較好地滿足后續(xù)的分析需求。產(chǎn)生誤差的主要原因是天線諧振頻點(diǎn)的差異以及天線放置于人體時仿真和測試天線對應(yīng)角度無法完全一致。

圖7 測量與仿真S21對比

天線方向圖的測試結(jié)果展示在圖8中。其中，圖8(a）和圖8(b）展示了在5.9GHz時仿真和測試的E/H面方向圖的對比。對于E面圖的測量，其結(jié)果只對手臂上方的部分進(jìn)行了對比分析，這是因為下方區(qū)域由于手臂的阻擋等輻射較小和測試的可操作性較差造成的；對于H面圖，依據(jù)仿真結(jié)果中輻射的最大角度方向位，通過建立一定的測量支架進(jìn)行360o測試分析。測量時，將接收的標(biāo)準(zhǔn)天線和待測天線的間距設(shè)置為約10λ0（λ0為空氣中電磁波的波長）以盡可能模擬遠(yuǎn)場，這個距離是考慮到頭部存在影響所做的綜合結(jié)果；另外，反射和接收天線所處的手臂位置導(dǎo)致我們無法完成在手臂上表面的180o范圍內(nèi)進(jìn)行測試，僅能測試的最大范圍約為162o。

從圖8(a）和（b）所示仿真和測量方向圖的數(shù)據(jù)對比中可以看出，無論是主極化還是交叉極化二者吻合較好，并且E面圖的上翹角度也幾乎一致。其中測量數(shù)據(jù)的抖動主要是由天線共形導(dǎo)致實測時真實的形變無法與仿真完全一致等造成的。

3.3 天線對手臂影響分析

從圖8(a）和（b）所示仿真和測量方向圖的數(shù)據(jù)對比中可以看出，無論是主極化還是交叉極化二者吻合較好，并且E面圖的上翹角度也幾乎一致。從手臂存在時天線方向圖的傾斜可以看出，天線對手臂的影響也是明顯存在的，這影響著傳輸效率和人體吸收率。

圖8 人體手臂及測量結(jié)果對比

天線的傳輸效率與插入損耗之間的關(guān)系為：

通過計算可得，該定向紐扣天線在空氣中的傳輸效率為0.06%，而放置人體手臂上可以達(dá)到0.4%。與之前的八木天線相比，放置于手臂上后，天線的傳輸效率得到了大幅度提升，在那里考慮人體存在時的傳輸效率僅為7.6×10?4%。這說明研究沿著體表傳輸?shù)亩ㄏ蚣~扣天線更適合于體域網(wǎng)無線能量傳輸，相比而言，定向紐扣天線的輻射形成了較大的沿體表傳輸?shù)钠矫娌?，從而增?qiáng)了傳輸效率，而全織物八木天線由于有朝向手臂的直接輻射導(dǎo)致電磁波會透過或者繞射過手臂以致于沿體表傳輸?shù)谋砻娌p少。

遵照歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會規(guī)定平均10g人體組織比吸收率（SAR值）和美國聯(lián)邦委員會規(guī)定平均1g人體組織SAR值的標(biāo)準(zhǔn)，本文研究定向輻射紐扣天線對人體SAR值的影響。仿真結(jié)果顯示，在輸入功率為1W時，10g和1g皮膚層人體組織在天線工作頻率處SAR值分別為9.06×10?4w/kg和9.06×10?4w/kg；在脂肪層分別為7.52×10?5w/kg和7.52×10?5w/kg；在肌肉層分別為2.02×10?3w/kg和為6.41×10?3w/kg。這些都遠(yuǎn)低于上述歐洲和美國標(biāo)準(zhǔn)對SAR值的要求。

4 結(jié)論

依據(jù)現(xiàn)有研究成果和未來發(fā)展趨勢，在所提出的無線能量傳輸理念的指引下，本文提出了沿體表傳輸?shù)亩ㄏ蜉椛浼~扣天線結(jié)構(gòu)，其在單極子天線附近加載AMC周期結(jié)構(gòu)形成定向輻射。在該天線設(shè)計中，AMC的橫向尺寸與單極子天線的加頂圓形介質(zhì)層直徑相等，形成了不額外增加天線橫向尺寸的結(jié)構(gòu)形式。再依據(jù)中國人種群特點(diǎn)，采集了特定的中國女性手臂進(jìn)行了三層固態(tài)模型建模，通過相應(yīng)仿真和測試結(jié)果的對比分析確定了模型的有效性。最后，通過對天線不放置于手臂和放置手臂上性能的變化分析，探究了天線和手臂的相互影響。通過分析得知，該定向紐扣天線能夠有效地提高天線的傳輸效率和降低人體比吸收率。這為后續(xù)研究低剖面和高頻率的天線提供了必要的基礎(chǔ)。