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应用于无线体域网的三频段天线设计
Mohammed Nazmus Shakib, Student Member, IEEE, Mahmoud Moghavvemi, and Wan Nor Liza Binti Wan Mahadi
摘要：在这篇论文中，设计了一种新的应用于无线体域网（WBAN）的三频段天线装置，该天线由两个新型 landolt环形带组成，环形带与矩形条带相连，由CPW馈电。通过集成这些技术，该天线具有三个工作频带，覆盖3.19 - 4.57，5.37 - 5.6，和7.56 - 10.67GHz。该天线具有良好的辐射模式，能满足带宽要求，能对载体环境进行分析。在这种情况下，该三频段天线的电压驻波比（VSWR）小于等于2。所制作的天线尺寸为35 times; 26.6 times; 1.6 mmsup3;。这些特征表明，该三频段天线能应用于无线体域网（WBAN）。
关键词：共面波导（CPW），三频天线，无线体域网。
一 导言
体域网（BAN）被认为是一种具有前途的无线系统，可以支持可穿戴电子设备之间的通信。这个系统在监控点，医疗保健，个人娱乐和军事等应用上具有重要的意义[1]。这些系统设备连接了监测重要人体参数和医疗环境运动的传感器。此外，由于无线生理传感器的发展，无线体域网（WBAN）也引起了学术界界的兴趣。这些系统需要的操作功率极低，重量轻，体积小，有容错系统。由于人体是有损介质，传播波有较大的衰减。在WBAN系统中，由于接收机和发射机设计的复杂性，天线是至关重要的。WBAN已经在[2]-[7]中研究了几种设计。在[2]中，为WBAN设计了一个单极天线，天线的主要辐射垂直于人体。 但是这种三维单极天线太高，应用于人体时会阻碍日常活动。在[3]和[4]中，提出了许多具有纺织基材的低轮廓天线。衬底材料由于有不连续性的问题，很容易受潮。在[5]中，在昂贵的基板上开发了一种类似于miniacap的单极天线。虽然这个设计中的高频带覆盖了超宽带（UWB）的高频带，但也考虑了较低的两个频带和窄频带。为了WBAN的应用，设计了几款带有圆形散热器的双频天线。在[6]中，在Roger Duriod 5870基片中提出了一种带有圆形辐射体的天线，实现了双模辐射模式，天线尺寸为3846 mmsup2;。在[7]中，开发了双频带圆形辐射器天线。该设计采用多层（13mm）复合结构和Velcro基材，面积为2500 mmsup2;。
由于设计的约束和复杂性，为WBAN设计一个三频天线是一个具有挑战性的任务。在这篇论文中，提出了一种用于离体通信的新型小型三频天线。通过集成两个新型landolt环形带，环形带由一条矩形天线和由CPW接地面延伸的对称天线组成。提出了用于3GHz频带，5GHz频带和UWB上带的三频带共面波导（CPW）天线。这种具有低成本和低轮廓特性的结构（天线面积尺寸为931 mmsup2;），使其适用于WBAN，尤其适用于WiMAX（3.3-3.8 GHz），WLAN5GHz和UWB(6-10 GHz)。
二 天线设计和结构
所提出的CPW反馈天线的配置如图1所示。天线的整体尺寸（w times; l）为35mm times; 26.6mm（931mmsup2;）。天线馈入一个基于CPW的几何结构，在信号线的两侧有一个3mm的传输宽度(f )和一个0.8mm的馈线间隙（f g）。在这个设计中使用一个50Omega;的CPW传输线。设计中的基板是FR4环氧基板，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。(wc1)和内（wc2）landolt环形带，矩形带（wc3）以及从中延伸的对称短截线（wg1 times; lg1）。CPW的地平面（wg times; lg）。微带馈线（f的宽度）连接外环地带环形带。在这个设计中，较大的landolt环形带有助于生产双频天线。内部和外部的landolt环形条带之间的矩形条连接成一个桥梁。通过将外部和内部的landolt环形条带穿过新的矩形条带，天线在短截线的连接处被激励。因此，在可以在中频和较高频率处具有更宽的双频带。其次，通过从共面地平面的右部延伸的短截线，在较低频率处能实现更好的匹配（如图2所示）。这导致在设计中能得到3.19GHz的最低频带。此外，外侧的锚环形带与右侧短棒之间的耦合加宽了较低的频带。再次，从共面地平面的左侧部分延伸的短截线也有助于改善中频带处的匹配。为了更好地匹配天线，引入了gg的缺口。此外，基于学术界的应用需求，能在WiMAX（3.3-3.8 GHz），WLAN 5GHz和UWB（6-10GHz）三频段范围内运行。
图1.提出的贴片天线的几何图（顶视图）
图2天线在自由空间和人体条件下的模拟VSWR：（a）FR4基板，（b）纺织基板。
最近有文献[8]和[9]设计出了不同类型的基于环形辐射体的带隙UWB天线。然而，文献[8]和[9]中的天线仅用于展示无线通信在自由空间中的天线性能。另外，这些设计不适合WBAN应用，并且天线尺寸也很大。我们提出的天线的整个设计过程和几何辅助都是借助于HFSS软件来设计和优化的。为了了解复杂的人体电磁特性及其各自对天线参数的影响，在图3（a）中示出了天线放置在离组织模型5mm处的在人体环境的仿真模型。皮肤，脂肪和肌肉的三层组织模型的厚度分别设定为1,2和10mm。组织模型的总尺寸设定为85 times; 65 times; 13 mmsup3;。3.5，5.4和7GHz的人体特征近似基于表I [10]。图3（b）展示了安装在生物组织等效体模上的制造天线的照片。所提出的天线在不同频率下具有不同组织特性的组织模型如图4所示。所提出的天线的最佳几何尺寸（见图1）是：L = 35mm，W = 26.6mm，wg1 = 1mm，wc1 = 2mm，wc2 = 2mm，wc3 = 1mm，wg = 11mm，lg = 9mm，lg1 = 26mm ，gg = 0.85，f g = 0.8mm，f = 3mm，d1 = 8mm，d2 = 11mm。
图3.（a）三层人体组织模型。 （b）模拟的天线。
图4.提出的天线在不同的频率下具有不同的组织特性。
表格I 天线组织层的介电性能
|
组织层 |
厚度 |
3.5 GHz |
5.4 GHz |
7 GHz |
||||
|
ε r |
sigma; (S/m) |
ε r |
sigma; (S/m) |
ε r |
sigma; (S/m) |
|||
|
皮肤 |
1mm |
37 |
2.02 |
35.5 |
3.38 |
34 |
4.8 |
|
|
脂肪 |
2mm |
5.17 |
0.16 |
4.99 |
0.27 |
4.8 |
0.37 |
|
|
肌肉 |
10mm |
51.4 |
2.56 |
49 |
4.49 |
47 |
6 |
|
三 结果和讨论
- 模拟结果分析
自由空间和人体条件下的模拟VSWR如图2所示。如图所示，在自由空间条件下，在3.10-4.34，5.14-5.60和7.33-10.43 GHz时，VSWRle;2，观察到了良好的阻抗匹配。在体上条件下，在2.38-4.57,5.26-5.60和7.56-10.43GHz时，VSWRle;2，观察到自由空间和身体状况之间的一些变化，三层组织的介电特性及其反射引起较低频率处阻抗带宽的变化。尽管有这些变化，但是还是能够完成一个三频天线。所提出的结构尺寸紧凑，能在三频带应用，特别能应用于低频带（WiMAX频带），中频带（WLAN）和最高频带（UWB高频带）。这种与可穿戴系统集成的天线为个人保健和娱乐应用提供了巨大的潜力。这个特性使三频天线也可以应用在身上，可以和人体传感器集成在一起。建议胸部使用耐磨天线。从图2可以看出，所提出的天线可以用于基于织物的柔性基底，即Hessian [11]。该织物基材的厚度和介电常数分别为2.03 mm和4.01。
从文献中可以知道，当天线放置在两个电介质的界面附近时，即使距上述界面的距离有小的变化，它的性质也会有很大的变化[3]。用于BAN的天线通常靠近空气-皮肤界面。如果一个人使用BAN移动，则难以始终保持相似的距离。为此，还研究了天线与组织模型（皮肤表面）之间的三个不同气隙。图5显示了天线和组织之间气隙的变化。即使在天线-皮肤距离上有一个相对较小的变化，VSWR图中显着的差异也是显而易见的。在设计BAN并确定其可靠性时，需要考虑这种变化。图5表明，随着天线距离的增加，三层组织介电特性的反射减小，随着天线距离的增加，较低频带减小。
图5.天线和人体之间气隙的变化
图6.（a）3.8，（b）5.35和（c）7.8 GHz处的电流分布。
从文献中可以知道，当天线放置在两个电介质的界面附近时，即使距上述界面的距离有小的变化，它的性质也会有很大的变化[3]。用于BAN的天线通常靠近空气-皮肤界面。如果一个人使用BAN移动，则难以始终保持相似的距离。为此，还研究了天线与组织模型（皮肤表面）之间的三个不同气隙。图5显示了天线和组织之间气隙的变化。即使在天线-皮肤距离上有一个相对较小的变化，VSWR图中显着的差异也是显而易见的。在设计BAN并确定其可靠性时，需要考虑这种变化。图5表明，随着天线距离的增加，三层组织介电特性的反射减小，随着天线距离的增加，较低频带减小。
在图6（a）-（c）中分别描绘了3.8,5.35和7.8GHz处的天线在自由空间中的电流分布。颜色表示线性刻度上的当前分布。图6（a）显示，电流主要集中在landolt环形带的右边，中间边缘部分，微带馈线和右边部分地平面的底角附近，表明这些元件在较低的频带上具有最显着的效果。大多数情况下，从地平面延伸的右侧短截线有助于确定低频段的最低频率共振。图6（b）说明了电流集中在矩形带的边缘，延伸的短截线，接地平面下部的底角和微带馈线之间的边缘，以及内部和外部的较长的长landolt环形条。如图6（c）所示，在landolt环形带，馈线和右端短路部分的集中电流影响较高频段的阻抗匹配。如图6所示，在所有考虑的频率下，天线接地面上的电流表明接地面也影响整个天线的性能。
为了研究图7中的天线性能，进行了参数研究。一个参数是变化的，而另一个保持恒定。如图所示，随着wc2和f g的增大或减小，观察到更好的匹配。随着wc1的增加和减少，上频段的发生失配，导致工作频率带宽减小。随着g g的变化，下限和上限都受到影响。增加g g提高了较低的频段，降低了较高的频段成本。随着g g的减少，带宽在较低和较高的波段下降。因此，wc2 = 2mm，wc1 = 2mm，g g = 0.85mm，f g = 0.8mm的最佳值被选择用于天线设计。
图7.电压驻波比的影响 (a)wc2,(b)f g,(c)g g ,和(d)wc1
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