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基于纺织材料的宽频带圆极化天线通过集成超表面结构层实现SAR降低99%，工作频段1.35-4 GHz覆盖ISM 2.45 GHz，电尺寸0.33λ0×0.37λ0，手动制作与仿真结果一致。
Mohamed El Atrash|Nourhan T. Hassan|Mahmoud A. Abdalla
埃及吉萨市现代科学与艺术大学（MSA）电气系统工程系
摘要
本文介绍了一种宽带、低轮廓、紧凑型且采用圆极化（CP）结构的槽天线，该天线通过超表面结构阵列进行加载，适用于可穿戴设备。整个结构采用纺织材料制成。通过在共面波导（CPW）接地层上蚀刻两个对角线排列的方形槽，并雕刻一个U形槽，实现了圆极化特性，同时提高了3 dB轴比带宽。该CP天线的辐射频率范围为1.35 GHz至4 GHz，覆盖了2.45 GHz的工业、科学和医疗（ISM）频段。轴比（AR）带宽为1.6 GHz至2.5 GHz，因此其有效工作带宽为1.6 GHz至2.5 GHz。在2.45 GHz时，天线的尺寸为0.33λ0 × 0.37λ0，体现了其紧凑性。为降低比吸收率（SAR），在CP天线背面加载了一个2 × 2的纺织基超表面结构阵列。集成后，天线保持了宽带工作特性，并将比吸收率降低了99%，同时在整个宽带频率范围内提升了增益。虽然制造过程为手动完成，但测试结果与软件仿真结果一致。与现有文献中的天线相比，该天线具有出色的性能。
引言
可穿戴设备在医疗保健、军事行动、运动监测和无线体域网络（WBAN）领域的迅速普及，加剧了对适用于人体佩戴的坚固、紧凑、高性能天线的需求[1]。这类系统面临的关键挑战在于，在人体动态运动、结构变形以及天线与人体之间的电磁（EM）相互作用的情况下保持可靠通信；人体是一种高介电常数且具有损耗性的介质，会显著降低天线效率并改变共振频率[2]。
在WBAN可穿戴应用中，尽管传统线极化（LP）天线被广泛使用，但由于人体运动和方向变化导致的极化不匹配，信号完整性和数据传输精度会受到影响。此外，将天线安装在人体上时弯曲引起的共振频率变化也是需要解决的问题[1]。相比之下，圆极化（CP）天线对方向不对准不敏感，因此更适合用于可穿戴系统[3]。
尽管具有这些优势，现有的CP天线设计在带宽、结构复杂性和适应人体佩戴场景的能力方面仍存在局限性。为了解决这些问题，人们研究了多种CP天线生成方法，包括非对称接地平面配置[3]、[4]、[5]、[6]、角部截断[7]、[8]、[9]、[10]、槽或短截扰动[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、双馈网络[16]、短路针[17]、[18]以及使用介质谐振器[19]。此外，还有超表面（MS）和极化转换层[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，这些技术旨在提高天线在更宽频率范围内的性能。
由于靠近人体会导致频率偏移和信号衰减，因此采用能够保证稳定和宽频覆盖的设计策略至关重要。对于可穿戴天线应用而言，宽带性能至关重要，这要求天线同时满足贴合人体、灵活和紧凑的设计要求。在宽带技术中使用了多种基于槽的结构，如L形[25]、半圆形[21]和矩形槽[4]、[12]，这些结构可以增加天线的工作频率范围。通过在馈电层创建准电流环并结合接地平面辐射模式调谐[26]，可以进一步提高辐射效率和带宽。此外，通过在超表面上产生额外共振，可以进一步增强宽带响应[6]。超表面还用于解决轴比带宽狭窄的问题[20]、[21]、[22]。然而，实现低轮廓天线的宽带性能仍然具有挑战性。
为了获得最佳的可穿戴性能，必须仔细选择材料，因为这些材料直接影响天线的带宽、效率和在弯曲或靠近人体时的稳定性。可穿戴天线设计尝试了多种基材和导电材料，以在耐用性、性能和灵活性之间取得平衡。FR-4[3]、[10]和层压Rogers[9]、[11]、[13]材料是适用于半刚性可穿戴平台的常见基材。更灵活的替代材料，如泡沫[8]、Cordura织物[20]、毛毡[4]、[6]、[7]、[9]、[16]、[21]、[22]、[26]、[27]、Panasonic R-F770基材[18]、[26]、Taconic TLY-5[28]、Rogers Ultralam 3850基材[29]和柔性Denim[30]，由于重量轻且介电常数低，具有更好的贴合人体性能。对于导电材料，铜带[16]、[20]易于使用，且与多种纺织基材兼容，是导电元件的常用选择。最后，在纸基材上应用了印刷石墨烯[31]。
由于可穿戴天线通常直接放置在人体上或非常靠近人体，确保用户安全是一个关键问题。比吸收率（SAR）是主要的安全考虑因素，它衡量了人体组织吸收的射频（RF）能量。高SAR水平可能导致不必要的加热效应，因此降低SAR是天线设计的重要部分。SAR水平不应超过美国标准规定的1.6 W/kg和欧盟标准规定的2 W/kg。有多种方法可以实现这一目标，例如添加电磁带隙（EBG）或人工磁导体（AMC）[12]、[22]、[23]、[24]、[25]、[32]、[33]等结构，以引导辐射远离人体。另一种降低SAR的方法是在天线和皮肤之间添加泡沫层，因为泡沫具有与空气相同的介电特性[6]、[9]、[10]、[11]、[15]、[16]、[20]、[28]、[34]。这些方法有助于制造出既实用又安全的长期使用可穿戴系统。
本文重点介绍了一种基于纺织材料的CP槽天线，其工作频率范围为1.35 GHz至4 GHz，覆盖了2.45 GHz的ISM频段，适用于可穿戴应用。第二部分详细介绍了实现圆极化的步骤及其对天线阻抗匹配性能的影响。第三部分专门讨论了超表面阵列的设计，从单元格设计及其特性开始，逐步介绍周期性单元格的示意图和等效电路。最后，第四部分强调了超表面层对CP天线的重要性。
部分摘录
圆极化天线配置与结果分析
本节介绍了最终CP天线布局的设计演变过程，包括每一步骤对反射系数和轴比性能参数的影响。设计使用计算机仿真技术（CST）软件工具进行仿真。此外，还测量了在自由空间中制造的原型天线在人体佩戴情况下的性能，并将其与仿真结果进行了比较。
超表面AMC设计与特性
在第二部分中，所提出的基于纺织材料的单极天线实现了宽频阻抗带宽（1.3–3.8 GHz）和宽3 dB轴比带宽（1.8–2.5 GHz），证明了其强大的圆极化辐射能力。然而，由于靠近高介电常数和损耗性的人体，天线性能会下降（由于高电导率导致天线辐射模式失真，以及人体损耗导致的辐射效率降低）。
CP天线超表面加载设计与结果
本节介绍了将超表面层与CP天线结合的布局，以及这种结合对天线在自由空间和人体佩戴情况下的性能参数的影响。
在确定合适的超表面层尺寸之前，研究了不同尺寸的超表面层对天线反射系数和峰值性能的影响。
结论
本文提出了一种全织物制成的槽天线，其外形尺寸为40 mm × 45 mm，具有宽带辐射能力和圆极化特性，适用于可穿戴应用。在宽频范围内实现了良好的阻抗匹配，分数带宽为108.2%。在ISM中心频率2.45 GHz时，CP天线的轴比为2 dB，3 dB轴比带宽为900 MHz。因此，该CP天线的有效工作带宽为...
作者贡献声明
Mohamed El Atrash：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发。Nourhan T. Hassan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。Mahmoud A. Abdalla：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论制定。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
