设计与分析一种适用于可穿戴设备的全纺织G形超表面天线，该天线采用了单元格旋转技术

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：Design and analysis of an all-textile G-shaped metasurface antenna with unit-cell rotation for wearable applications

　　哈坎·基西奥卢
土耳其约兹加特博佐克大学工程与建筑学院电气与电子工程系

摘要
本研究介绍了一种用于5.8 GHz ISM频段的紧凑型全纺织集成超表面可穿戴天线（MS-ANT）。该超表面（MS）通过将单个相同单元格旋转至四个方向（α=0°、90°、180°和270°）来实现，形成了一个2×2的有限阵列。所提出的结构占地面积为45×45 mm2，具有低轮廓设计。通过将旋转后的单元格分配到四个MS位置（M#1-M#4），并检查单层、双层、三层和四层组合，进行了广泛的定向研究。使用|S11|评估了定向依赖的耦合特性，并测量了4–8 GHz范围内的增益。结果表明，单元格的旋转为控制阻抗匹配提供了一个有效参数，在所有评估配置中，峰值增益达到了7.68 dBi。制造的原型天线在5.65–6.35 GHz范围内的阻抗带宽为-10 dB，而仿真预测的带宽为5.48–6.22 GHz。进一步在5.8 GHz下使用Hugo人体体素模型评估了其可穿戴性能。当天线与皮肤的间距为6 mm时，最大SAR分别为0.67 W/kg（10 g）和1.38 W/kg（1 g）。总体而言，所提出的MS-ANT为实际的5.8 GHz WBAN/ISM可穿戴应用提供了一种紧凑、可配置且注重安全的解决方案。

引言
随着无线技术的不断发展，由于可穿戴天线在无线体域网（WBAN）[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]中的关键作用，相关研究也日益增多。WBAN使得放置在身体上、衣物内或人体内的传感器和个人设备之间能够实现短距离通信[7]、[8]、[9]。对于WBAN应用而言，可穿戴纺织天线非常吸引人，因为它们可以轻松集成到衣物中。它们还具有低成本、易于制造、重量轻、机械柔韧性和与服装无缝集成等实际优势[10]、[11]、[12]、[13]。可穿戴天线需要轻便、灵活且紧凑，同时提供高增益和高辐射效率。此外，为了符合国际暴露限值，人体吸收的功率应降低，以使比吸收率（SAR）保持在规定标准以下[14]、[15]、[16]。

近年来，许多可穿戴天线设计被实现于纺织和其他柔性基底上。例如平面单极子[17]、纺织E形单极子[18]、平面倒F天线[19]、[20]、可重构结构[21]、基于超材料（MM）的表面天线[22]、高阻抗表面（HIS）天线[23]、[24]以及基底集成波导（SIW）天线[25]、[26]。尽管种类繁多，但这些解决方案普遍存在阻抗带宽受限或实现增益相对较低的问题。

MS天线是一种广泛研究的超表面驱动解决方案，其中将有限的MS设计为具有共振行为，从而直接促进辐射。这种方法具有吸引力，因为它可以提供低轮廓结构、支持带宽扩展，并且制造过程简单。因此，已经引入了许多MS天线设计，以实现紧凑尺寸、宽带操作、降低高度和圆极化。此外，这些设计还可以通过调节辐射场和抑制不需要的辐射分量来提高增益[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。报道了单层和双层波导MS，它们能够在约30%的带宽内实现超过6.5 dBi的增益，双层设计提供了更高的调谐灵活性[27]。在[28]中，通过集成悬挂式MS实现了一个低轮廓双极天线，具有宽带宽和增益提升。在[29]中，引入了Z形槽以在带槽贴片天线中激发宽带圆极化（CP），并在5-GHz Wi-Fi频段下通过原型验证了该机制。在[30]中，使用钻石形槽贴片辐射器开发了一种低轮廓宽带MS天线。特征模式分析（CMA）用于通过对主要模式的识别和激发来建模、分析和优化设计。在[31]中，提出了一种基于CMA的方法，通过控制槽加载单元格中的模态电流来改善多端口MS天线系统的辐射性能。在[32]中，引入了一种无单元格的截断阻抗片模型，用于基于CMA的建模和设计由非共振单元格组成的低轮廓宽带MS天线。在这种方法中，单元格主要控制网格阻抗，而天线响应由MS的全局共振决定，而不是局部单元格共振。在[33]中，报道了一种探针馈电的低轮廓宽带MS天线，通过CMA利用贴片式MS的三个特征模式来提高辐射性能并减少反向辐射。在[34]中，提出了一种用于可穿戴应用的非均匀MS天线。通过逆时针旋转中心和角落单元格，并以相同的角度逆时针旋转其余四个单元格，配置了一个3×3单元格阵列。在[35]中，使用CMA优化了一种多层非均匀MS天线。结合了方形驱动贴片和具有交叉槽结构的寄生圆形贴片元件。值得注意的是，在参考文献[34]、[35]中，MS在阵列层面进行了变化，即单元格排列是集体调整的，而不是严格逐个单元格调节的。在许多先前的可穿戴MS天线中，通常通过重塑单元格几何形状和/或扩大MS口径来提高性能。

最近的研究越来越多地关注采用周期性结构的纺织可穿戴天线，其中人工磁导体（AMC）和基于MS的配置被用来增强阻抗带宽、辐射性能和SAR特性。参考文献[5]介绍了一种全纺织UWB可穿戴天线，该天线集成了7×7超材料反射器，实现了宽阻抗带宽，同时提高了增益、定向性和前后比，并将SAR降低了98.3%适用于WBAN应用。参考文献[24]报道了一种全织物可穿戴天线，集成了3×3 HIS，提供了改进的增益、稳定的弯曲性能和在2.45 GHz下的显著SAR降低。在[36]中，研究了用于身体中心连接的宽带CP全纺织天线和可穿戴共形阵列。首先设计了带有改进MS的CP微条带贴片，以实现宽阻抗和轴比带宽。参考文献[37]报道了一种由2×2 AMC支撑的紧凑型织物可穿戴蜿蜒单极天线，实现了增强的带宽、增益和前后比，以及稳定的弯曲/身体性能和在2.4 GHz下的显著SAR降低。参考文献[38]介绍了一种全纺织宽带圆极化2×2 MS阵列天线，使用顺序馈电，实现了宽阻抗/轴比带宽、可接受的增益、适度的效率和低SAR，适用于可穿戴应用。参考文献[39]介绍了一种全纺织宽带CP可穿戴天线，使用了3×3非均匀MS，MS同时作为5.8 GHz WBAN应用的极性转换器和带宽增强层。参考文献[40]提出了一种低轮廓全纺织圆极化可穿戴天线，由2×2 MS支撑，保持了宽带操作，同时提高了增益并降低了SAR。参考文献[41]提出了一种带宽增强的全纺织可穿戴CP天线，使用4×4线性极化（LP）-到-CP MS，加载在半圆形槽辐射器上，适用于5.85 GHz WBAN应用。参考文献[42]提出了一种低轮廓全纺织UWB单极天线，由5×5 AMC反射器支撑，实现了宽阻抗带宽和增强的增益以及显著降低的SAR。参考文献[43]介绍了一种宽带圆极化身体天线，使用改进的MS，实现了高增益、宽阻抗/轴比带宽、稳定的共形性能和低于美国和欧盟安全标准的SAR值，适用于国防应用。参考文献[44]提出了一种全纺织身体MS天线，采用了线性分裂环谐振器（SRR）阵列，改进了圆形贴片辐射器的增益和效率，同时保持了稳定的共形性能和低SAR，适用于WBAN/WLAN和Mid-band 5G应用。

与参考文献[5]、[24]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]不同，本研究采用了一种更简单的设计方法，即保持单元格几何形状不变，通过旋转单个相同元素来实现紧凑的2×2 MS。这种方法使得在实际的全纺织平台上方便地调整天线，同时避免了与更大周期表面或更复杂的馈电方案相关的额外复杂性。在本研究中，单元格几何形状保持不变，仅通过旋转单个相同单元格就形成了紧凑的2×2 MS。研究了均匀和混合旋转模式，作为调节耦合、阻抗匹配和辐射特性的实用手段。因此，所提出的基于旋转的策略为5.8 GHz ISM频段的增益提升提供了直接的方法。本研究的主要贡献如下：首先，使用相同的单元格几何形状实现了有限的2×2 MS。定义并系统地检查了四个旋转方向（α=0°、90°、180°和270°），并通过单方向情况和混合组合进行了测试。其次，采用阻抗匹配和辐射行为的联合优化，在4–8 GHz范围内评估了MS配置，以捕捉定向依赖的耦合特性。第三，通过全波仿真和原型测量验证了所提出的天线，证明了稳定的匹配行为和一致的整体趋势。第四，集成MS层显著提高了定向性能：在5.8 GHz时，实现的增益从5.85 dBi增加到7.19 dBi（线性比例约36%）。最后，使用Hugo人体体素模型评估了可穿戴安全性。身体上的SAR分析显示峰值分别为0.67 W/kg（10 g）和1.38 W/kg（1 g）。

本文的其余部分安排如下：第二部分描述了天线和MS设计，第三部分展示了仿真和测量结果，第四部分讨论了身体和SAR评估。最后，第五部分总结了关键结果并提供了结论性意见。

天线拓扑和尺寸参数
所提出的可穿戴天线由相对介电常数（εr）为1.4、损耗正切（tanδ）为0.04的毛毡基底制成。基底厚度为2.00 mm。辐射贴片和地平面使用厚度为0.17 mm的镍-铜-聚酯导电织物带制成，其导电率约为1.18×10^5 S/m。因此，天线层（包含贴片和地金属化的Sub#2）的厚度为2.34 mm。当MS基底（Sub#1）和...

反射系数和实际增益的结果
本节比较了所提出天线的反射系数（S11）和实际增益与其加载了超表面的对应天线（MS-ANT）的反射系数和实际增益。分析首先在没有MS层的情况下对天线进行全波仿真，然后使用Agilent矢量网络分析仪对制造的原型进行测量。图14展示了两种设计在5.8 GHz ISM频段内的S11曲线。尽管存在小的波动和轻微的偏移...

使用人体体素模型的天线性能分析
对于靠近身体运行的可穿戴天线，与生物组织的近场相互作用成为关键的设计考虑因素。这种相互作用可能影响主要性能指标，包括阻抗匹配、辐射特性、定向性和实际增益。对于SAR评估，将所提出的结构放置在CST MWS中的Hugo人体体素模型上，如图24所示。MS-ANT的模拟反射系数（S11）响应...

结论
本研究提出了一种用于5.8 GHz ISM频段的紧凑型全纺织集成超表面可穿戴天线（MS-ANT），并通过实验进行了验证。该天线占地面积为45×45 mm2，具有低轮廓设计，采用了一个有限的2×2 G形MS，通过将单个相同单元格旋转至四个方向（α=0°、90°、180°和270°）来实现。这种依赖于配置的方法通过定向和组合状态实现了实际调谐...

CRediT作者贡献声明
哈坎·基西奥卢：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿。

资助
作者声明没有收到进行这项研究工作的任何资助。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告中所述的工作。