双频段可穿戴紧凑型六边形贴片天线的设计与性能评估

本文设计了用于可穿戴设备的双频段天线，经 FR4 环氧和牛仔布基板测试，性能良好且符合安全标准。

　　

一、引言

在生物医学工程和无线通信领域，用于无线体域网（Wireless Body Area Networks，WBAN）的双频段可穿戴贴片天线意义重大。这类天线专为在人体上高效运行而设计，能无缝集成到可穿戴设备中，用于健康监测、健身追踪和医学诊断等。双频段特性使天线可在两个不同频率频段工作，提升了通信可靠性和数据传输速率，有助于满足多种无线标准，确保在不同环境中的不间断连接。

随着可穿戴设备的小型化发展，设计高效的双频段天线面临诸多挑战。例如，传统天线存在尺寸较大、带宽较窄、增益较低以及特定吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）等问题，限制了其在 WBAN 中的应用。为解决这些问题，研究人员采用了先进材料和设计方法，如使用柔性基板和特殊天线几何形状等。

双频段天线在现代通信系统和可穿戴技术中至关重要。2.4GHz 频段因在传输距离和数据吞吐量之间具有良好平衡，被广泛用于许多无线应用，对 WBAN 中的连续监测和数据传输十分关键；5.8GHz 频段则提供更高的数据速率，且相比拥挤的 2.45GHz 频段干扰更少，适合低延迟、快速数据传输的应用场景。

二、天线设计与优化

本研究提出了一种双频段可穿戴紧凑型六边形贴片天线的结构，分别采用非柔性 FR4 环氧基板和柔性牛仔布基板，并对两种基板的天线设计进行了优化。

以柔性牛仔布基板天线为例，其尺寸为 0.33λ₀ x 0.12λ₀ x 0.01λ₀ ，牛仔布基板的相对介电常数?_r为 1.7，介质损耗角正切 tanδ 为 0.01。天线设计优化过程包含多个步骤：最初，将边长 a = 5mm 的六边形贴片与截断和延伸的馈电以及全接地平面集成；随后，将全接地平面缩小为半接地平面（Lg = 20mm）；接着，进一步将接地平面缩小为部分接地（Lg = 8mm）；最后，添加边长 b = 5mm 的额外六边形，间隙长度 L_gap为 3.15mm ，形成最终的天线结构。

该天线采用截断微带线馈电，这种馈电方式能增强阻抗匹配并简化连接。微带线在靠近六边形贴片的连接点处截断，可改变馈线的电流分布，有助于调整阻抗和辐射特性。六边形贴片因其紧凑性和易集成性被选用，天线的谐振频率由六边形贴片的边长和基板的介电特性决定，可通过公式fr=2πa?rC计算，其中 c 为光速，a 为根据六边形几何形状近似的有效半径，?_r为基板的相对介电常数 。部分接地的设计是实现天线双频段特性的关键。

在优化过程中，对不同阶段的天线结构进行了模拟分析。最初的结构模拟显示谐振效果很差；图 1（b）的结构在 3.5GHz 谐振；图 1（c）的结构产生了 2.3GHz 和 6.9GHz 的双频段；最终图 1（d）的结构实现了 2.45GHz 和 5.64GHz 的双频段，S₁₁分别为 - 27.88dB 和 - 22.27dB 。同时，也对 FR4 环氧基板的天线进行了设计优化，其基板参数?_r为 4.4，tanδ 为 0.02。

三、FR4 环氧基板的模拟结果与讨论

对基于 FR4 环氧基板的天线进行模拟，该天线在 2.4GHz 和 5GHz 谐振，S₁₁分别为 - 30.34dB 和 - 20.21dB ，属于双频段天线。其第一频段带宽为 320MHz，第二频段带宽为 370MHz，适用于工业、科学和医疗（ISM）频段、WBAN 以及可穿戴设备。

通过分析天线在 2.4GHz 和 5GHz 的电流分布可知，两个频段的电流主要出现在馈电边缘，且在相连六边形缝隙边缘的电流供应较高。这种电流分布支持了天线的设计，即 2.4GHz 通过六边形贴片工作，5GHz 通过六边形贴片之间的缝隙工作。

从辐射特性来看，在 2.4GHz 时，天线在 E 平面（? = 0°）和 H 平面（? = 90°）呈现双向辐射模式；在 5GHz 时，天线在两个平面均表现为定向辐射。通过 2D 和 3D 辐射图进一步验证了天线在这些频率下的最大增益，2.4GHz 和 5GHz 时的增益分别为 4.45dBi 和 6.95dBi。

四、牛仔布基板的模拟结果与讨论

对于牛仔布基板的天线，其参数?_r为 1.7，tanδ 为 0.01。该天线在 2.45GHz 和 5.64GHz 谐振，反射系数（S₁₁）分别为 - 27.88dB 和 - 22.27dB 。紧凑的低剖面结构使其第一频段（2.33 - 2.69GHz）带宽达到 360MHz，第二频段（5.28 - 6.07GHz）带宽达到 790MHz。

观察天线的电流分布，在 2.45GHz 时，最大电流集中在六边形缝隙边缘；在 5.64GHz 时，电流主要集中在馈电结构和六边形贴片边缘。这些电流分布与天线的初步设计相符，即不同频率通过不同的结构部分工作，也验证了电流路径距离对工作频率的影响。

在辐射特性方面，2.45GHz 时天线在 E 平面和 H 平面呈双向辐射，5.64GHz 时在 E 平面（? = 0°）和 H 平面（? = 90°）为定向辐射。2D 和 3D 辐射图表明，2.45GHz 和 5.64GHz 时天线的增益分别为 4.45dBi 和 7.15dBi。

五、FR4 与牛仔布基板模拟结果的比较

对比两种基板的天线性能，FR4 基板天线在 2.4GHz 和 5GHz 谐振，S₁₁分别为 - 30.34dB 和 - 20.21dB ，第一频段带宽 320MHz，第二频段带宽 370MHz，2.4GHz 和 5GHz 时增益分别为 4.45dBi 和 6.95dBi；牛仔布基板天线在 2.45GHz 和 5.64GHz 谐振，S₁₁分别为 - 27.88dB 和 - 22.27dB ，第一频段带宽 360MHz，第二频段带宽 790MHz，2.45GHz 和 5.64GHz 时增益分别为 4.45dBi 和 7.15dBi。可见，两种天线都能产生双频段，具有良好的天线增益、带宽和紧凑性，且都实现了较好的阻抗匹配。

对两种基板的天线进行参数研究，调整接地长度（Lg）、间隙长度（L_gap）和六边形尺寸（a 和 b）等参数。结果发现，对于牛仔布基板天线，Lg 为 8mm、L_gap为 3.15mm、a = b = 5mm 时，天线能实现理想的双频段特性；对于 FR4 环氧基板天线，同样在 Lg 为 8mm、L_gap为 3.15mm、a = b = 5mm 时，天线性能最佳。

在设计用于 WBAN 应用的天线时，需评估 SAR 以确保安全。根据 FCC 和 ICNIRP 标准，1g 组织的 SAR 限值不超过 1.6W/kg，10g 组织不超过 2.0W/kg。通过在 HFSS 中建立人体模型进行 SAR 评估，结果显示，在输入功率为 1W、1g 平均组织的情况下，柔性天线在 2.45GHz 时最大 SAR 低于 1.24W/kg，在 5.64GHz 时低于 1.0W/kg；FR4 基板天线在 2.4GHz 时 SAR 为 1.24W/kg，在 5GHz 时为 1.03W/kg，均符合 IEE/IEC Std. 62704 标准的 1.6W/kg，表明天线设计满足健康安全要求。

与其他天线相比，本文提出的双频段可穿戴紧凑型六边形天线，无论是基于柔性牛仔布基板还是非柔性 FR4 环氧基板，在带宽、增益等性能方面都具有一定优势。

六、结论

本文成功设计并分析了一种双频段可穿戴紧凑型六边形贴片天线，分别使用 FR4 环氧和牛仔布基板进行研究。该天线尺寸小、成本效益高且设计简单。在 2.4GHz 和 5.8GHz 频段的双向辐射模式以及较宽的带宽，使其非常适合 WBAN 应用。通过制作原型并测试，测量结果与模拟结果相符，验证了天线的功能。同时，SAR 值符合健康安全标准。未来可采用多层印刷电路板（PCBs）等先进制造技术，进一步提升天线的功能和结构灵活性。综合来看，该天线为多功能可穿戴设备提供了可靠选择，性能强大且应用广泛。