1.引言

近年來，以人體為中心的無線通信有很多潛在的應(yīng)用，如醫(yī)療傳感器系統(tǒng)、可穿戴電子設(shè)備、軍事通信等。以人體為中心的無線通信指的是人體自身和人與人之間的網(wǎng)絡(luò)通信，是無線體域網(wǎng)(WBAN)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)合并的一個(gè)主體領(lǐng)域。在這種通信系統(tǒng)中，位于主體上或主體中的所有終端將共享體上鏈路，體外鏈路和體內(nèi)鏈路。體上鏈路是指沿著人體表面信號(hào)的發(fā)射與接收；體外鏈路是指人體上的節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)離人體外部節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的發(fā)射與接收，如圖 1；體內(nèi)鏈路則是植入式設(shè)備在人體內(nèi)部信號(hào)的發(fā)射與接收。

 

 

圖 1 人體通信系統(tǒng)

 

這三種不同形式的通信鏈路要求不同的輻射方向圖。例如，位于人體表面的可穿戴設(shè)備和系統(tǒng)之間的鏈路要求一個(gè)沿著人體表面方向的全向輻射方向圖。在體外鏈路中，則需要一個(gè)定向的輻射方向圖?？芍貥?gòu)天線是一種可以根據(jù)需要，在操作期間改變其天線結(jié)構(gòu)或參數(shù)的設(shè)備。它可以通過改變自身的配置，來適應(yīng)不同的無線通信需求，例如不同的信號(hào)頻率、不同的信號(hào)輻射方向等。相比于傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)天線，可重構(gòu)天線具有更高的靈活性和適應(yīng)性。

 

可重構(gòu)天線作為一種新型的天線, 之所以可以重構(gòu)天線的參數(shù)、具有可切換的不同的工作模式, 其本質(zhì)是通過改變天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變天線的電流分布實(shí)現(xiàn)的，也可以通過調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)天線的位置、尺寸大小等來實(shí)現(xiàn)。在天線結(jié)構(gòu)中可添加開關(guān)或者電抗元件來改變主輻射單元表面的電流分布或電抗特性，從而得到不同的輻射方向圖?；蛘?，通過改變饋點(diǎn)，激勵(lì)天線產(chǎn)生不同輻射模式來實(shí)現(xiàn)天線輻射方向的改變。

 

本文利用三維電磁仿真工具 CST 仿真了一款方向圖可重構(gòu)天線。模型建立后，添加場監(jiān)視器，利用時(shí)域有限積分法 FDTD 對(duì)天線進(jìn)行計(jì)算，得到天線的 S 參數(shù)、增益、方向圖等。人體中心通信鏈路中，人體也是一個(gè)強(qiáng)大的磁場，對(duì)天線的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在 CST 中添加人體結(jié)構(gòu)，通過 SAR 值結(jié)果分析人體對(duì)天線磁場的影響。將仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，確保仿真的合理性。

 

2.天線設(shè)計(jì)與建模

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用的是三層 0.6mm 的 Rogers RO4350 介質(zhì)基板，第一層板上是一個(gè)圓形天線，用來產(chǎn)生定向輻射方向圖，使天線能夠與外部設(shè)備經(jīng)行信號(hào)傳輸；第二層板上是一個(gè)環(huán)形天線，能產(chǎn)生全向輻射方向圖，使天線能與身體其他設(shè)備信號(hào)傳輸；第三層的底面是一個(gè)零階共振縫隙天線，用來實(shí)現(xiàn)天線與人體內(nèi)部設(shè)備的信號(hào)傳輸。天線基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，(a)中F1為圓形貼片的饋點(diǎn)至圓心的距離，??1為整個(gè)天線的半徑，??2為圓形貼片的半徑；(b)中??2為環(huán)形貼片的饋點(diǎn)至圓心的距離，??3為圓環(huán)外半徑，??4為圓環(huán)內(nèi)半徑。

 

 

圖 2 天線基本結(jié)構(gòu) (a)第一層俯視圖 (b)第二層俯視圖 (c)底層仰視圖 (d)為天線整體側(cè)視圖

 

2.2 模型建立

2.2.1 建模基礎(chǔ)

在天線建模前，需要對(duì)天線的方向圖、輸入阻抗、工作中心頻率、尺寸大小等進(jìn)行預(yù)估。該天線由三層不同的貼片天線組成。第一層和第二層均是圓形微帶天線，一個(gè)最基本的圓形天線是在介質(zhì)基片上貼一薄導(dǎo)電圓形貼片，介質(zhì)的背面是地板，如圖 3。

 

 

圖 3 圓形微帶天線

 

 

 

第二層環(huán)形貼片半徑也是采用公式(1)計(jì)算，在圓環(huán)一周均勻的添加短路柱，改變天線的輻射，使電流沿著圓環(huán)向各個(gè)方向分布，以實(shí)現(xiàn)全向輻射，如圖 4。

 

 

圖 4 環(huán)貼片電流分布

 

第三層縫隙貼片天線利用了 LC 振蕩電路的工作原理，通過改變電感值可以改變天線的諧振頻率，使天線在 403MHz 頻率下工作。天線左右兩邊縫隙建模時(shí)，等效為并聯(lián)的電容 C，在天線上端縫隙處添加合適的電感 L，使天線達(dá)到諧振，如圖 5，頻率計(jì)算見公式(4)：

 

 

圖 5 天線振蕩等效電路

 

為實(shí)現(xiàn)天線可重構(gòu)，利用饋電網(wǎng)絡(luò)將上述三種貼片建立聯(lián)系，適當(dāng)?shù)奶砑悠ヅ涫固炀€工作在所需頻段，在微帶線1/4阻抗匹配處添加可控開關(guān)，根據(jù)開關(guān)的打開閉合控制所需輻射鏈路工作。

 

本天線利用二極管模擬可控開關(guān)，在二極管位置加載阻值，從而控制二極管的工作狀態(tài)。當(dāng)二極管加載較大的負(fù)載如 10000Ω 時(shí)二極管處于斷開狀態(tài)，當(dāng)給二極管一個(gè)較小的阻值如 0.5Ω時(shí)，二極管處于連接狀態(tài)。天線饋電網(wǎng)絡(luò)如圖 6，當(dāng) S1 斷開，S2 和 S3 導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)流入體表通信鏈路產(chǎn)生全向輻射；當(dāng) S2 斷開，S1 和 S3 導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)流入體外通信鏈路產(chǎn)生定向輻射；當(dāng) S3 斷開，S1 和 S2 導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)流入體內(nèi)通信鏈路，使其工作于 403MHz。

 

 

圖 6 可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)原理圖

 

2.2.2 電磁仿真工具 CST 建模

CST 工作室套裝是以有限積分技術(shù)為基礎(chǔ)的通用電磁場仿真軟件。其在有限積分法中使用了理想邊界擬合技術(shù)(PBA)，將介質(zhì)邊界共形地映照到六面體網(wǎng)格上，大大提高了網(wǎng)格的精度，可以對(duì)曲線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模。其微波工作室能夠快速精確設(shè)置天線，仿真得到各類天線的 S參數(shù)、方向圖、增益、駐波比以及空間任意一點(diǎn)的電磁場等，還可以分析人體組織的 SAR。

 

在 CST 微波工作室下的天線模塊中，對(duì)本設(shè)計(jì)建模仿真，如圖 7。在建模前需要設(shè)置合適的模型單位及模型材料，如圖 8，CST 材料庫中包含 440 多種材料，并支持用戶新研發(fā)的材料增加到庫。可重構(gòu)天線是一種具有動(dòng)態(tài)調(diào)整特性的天線，可以在不同情況下優(yōu)化其性能，為了方便優(yōu)化分析，天線建模需要參數(shù)化。CST 中擁有先進(jìn)的 ACIS 內(nèi)核(R23)的參量化實(shí)體建模前端，使模型結(jié)構(gòu)參數(shù)均可參數(shù)化。一個(gè)天線的仿真需要有激勵(lì)源，CST 支持波導(dǎo)端口、離散端口、集總元件的單選、復(fù)選和變換，該天線用的是一個(gè)離散端口，如圖 9 所示。

 

 

圖 7 天線建模

 

 

圖 8 單位及材料設(shè)置

 

圖 9 離散端口激勵(lì)

 

CST 微波工作室包含了多個(gè)求解器：時(shí)域、頻域、本征模求解器等。其中時(shí)域求解器只需

運(yùn)行一次即可得到結(jié)構(gòu)的帶寬等特性，對(duì)大多數(shù)帶有激勵(lì)源的問題非常有效，因此，本設(shè)計(jì)選擇時(shí)域求解器進(jìn)行求解，即時(shí)域有限積分法(FDTD)。該方法通過傅里葉變換將積分形式的麥克斯韋方程離散化，生成一套網(wǎng)格，將需要計(jì)算的區(qū)域分割為許多小的網(wǎng)格單元，從而計(jì)算模型的電磁場問題。圖 10 展示了天線利用時(shí)域求解法在 Z 方向的網(wǎng)格劃分。

 

 

圖 10 天線 Z 方向網(wǎng)格剖分

 

3.實(shí)測與仿真結(jié)果及詳細(xì)說明

天線實(shí)物見圖 11，實(shí)測如圖 12 所示。將直流源和信號(hào)源連接到天線上，利用喇叭天線與本設(shè)計(jì)進(jìn)行信號(hào)傳輸。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)天線，每個(gè)方向上的增益值會(huì)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上顯示，另外網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以測量天線的 S 參數(shù)。

 

 

圖 11 天線實(shí)物圖 (a)俯視圖 (b)仰視圖

 

 

圖 12 天線實(shí)測圖

 

在沒有添加人體組織時(shí)的天線仿真與實(shí)測的 S 參數(shù)結(jié)果如圖 13 所示，其中(a)為 2.45GHz 體外通信狀態(tài)的 S11，(b)為 2.45GHz 體表通信狀態(tài)的 S11，(c)為 403MHz 體內(nèi)通信狀態(tài)的 S11。從圖13 中可以看出，天線各通信模式下的實(shí)測與仿真結(jié)果都能較好的吻合。

 

圖 14 給出了可重構(gòu)天線在 2.45GHz 和 403MHz 頻率下的三維方向圖的仿真結(jié)果。其中(a)為天線在體外通信模式下的三維方向圖，(b)為天線在體表通信模式下的三維方向圖，(c)為天線在體內(nèi)通信模式下的三維方向圖。由圖可得：在 2.45GHz 頻率下，天線在體外輻射模式下的最大增益約為 2.4dBi，對(duì)于小尺寸天線來說，增益較高。天線在體表工作模式下的最大增益約為2.02dBi。天線在體內(nèi)通信模式下的的最大增益約為 4.49dBi，增益相對(duì)比較低。

 

天線在體外通信模式下歸一化方向圖的仿真與實(shí)測結(jié)果如圖 15，圖 16 給出了天線在體表通信模式下的歸一化方向圖的仿真與實(shí)測結(jié)果，圖 17 展示了天線在體內(nèi)通信模式下的仿真結(jié)果。

 

 

 

圖 13 天線 S 參數(shù) (a) 2.45GHz 體外通信模式 (b) 2.45GHz 體表通信模式(c) 403MHz 體內(nèi)通信模式

 

 

 

圖 17 天線在體內(nèi)通信模式下方向圖的仿真結(jié)果(a) E 面(xoy 面) (b) H 面(yoz 面)

 

以上所示的仿真與實(shí)測對(duì)比表示，CST 仿真可以很好的得到天線的諧振及輻射方向圖，諧

振點(diǎn)處的回波損耗均在-10dB 以下，表明該天線的輻射損耗較小。

 

4.SAR 值分析

由于天線可以穿戴在人體的不同部位，人體是一個(gè)復(fù)雜的組織，天線輻射的能量被人體吸收會(huì)對(duì)人體健康造成傷害。在外電磁場的作用下，人體將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，而人體各種器官均為有耗介質(zhì)，因此體內(nèi)電磁場將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致吸收和耗散電磁能量，SAR 即用來表征這一物理過程，其被定義為單位質(zhì)量的人體組織吸收或消耗的電磁波功率，單位為 W/Kg。

 

4.1 SAR 值分析建模

CST 對(duì)人體 SAR 仿真有著非常完備的解決方案，其獨(dú)特的生物模型庫中的人體模型可以滿足不同的應(yīng)用場景，通過在微波工作室中導(dǎo)入可視化人體模型數(shù)據(jù)集，對(duì) SAR 值進(jìn)行分析。仿真時(shí)將天線放置在身體胸腔附近或體內(nèi)，其中人體組織利用皮膚，脂肪，肌肉來模擬，如圖 18。

 

 

圖 18 天線在人體胸腔附近及體內(nèi)模擬

 

4.2 SAR 仿真結(jié)果

與其他仿真不同，SAR 值仿真需要先加一個(gè) Power loss density/SAR 的場監(jiān)視器，如圖 19，這里的 Power loss density 被用來計(jì)算 SAR 值，同時(shí)，CST 后處理中的 SAR 選項(xiàng)可以快速、精確的計(jì)算 SAR，如圖 20 所示。

 

 

圖 19 Power loss density/SAR 場監(jiān)視器

 

 

圖 20 SAR 后處理

 

由于人體組織很大，為提高后處理速度，限制計(jì)算區(qū)域在人體胸腔附近。圖 21 為 SAR 仿真結(jié)果，可以看出，天線在人體附近的 SAR 為 8.74e-8W/Kg，在人體內(nèi)部的 SAR 為 1.23e-7W/Kg，兩者均比較低。不同領(lǐng)域的 SAR 標(biāo)準(zhǔn)不同，該值越低，則人體組織吸收或消耗的電磁波功率越少。

 

 

圖 21 SAR 值分布(a)胸腔附近(b)胸腔內(nèi)部

 

5.總結(jié) 

本文利用達(dá)索三維電磁仿真工具 CST 對(duì)天線建模分析，并計(jì)算天線位于人體不同位置的SAR 值。通過添加三個(gè)開關(guān)二極管來控制工作模式，實(shí)現(xiàn)人體體外、體表以及體內(nèi)三種通信模式的切換，即單天線實(shí)現(xiàn)多功能。

 

目前在可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)的電磁分析中廣泛使用的方法有: 時(shí)域有限積分法(FDTD) 、有限元法(FEM) 、矩量法(MOM)等。達(dá)索三維電磁仿真工具 CST 中的 FDTD，具有建模容易、計(jì)算時(shí)間短、對(duì)電磁特性模擬精確等優(yōu)點(diǎn), 因此在可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用價(jià)值。并且，CST中的人體模型庫，擁有多種不同類型的人體模型，可以滿足不同場景的人體 SAR 值分析。仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果表明，該天線可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，當(dāng)工作于 2.45GHz 頻段時(shí)，天線能夠得到很好的定向和全向方向圖。由于條件有限，對(duì)于 SAR 值的分析暫時(shí)只有仿真結(jié)果。

 

資料來源：達(dá)索官方