探究穿戴系统中的天线设计

　　引言

    随着科技的不断发展，计算机的更新换代周期越来越短。不仅笔记本已经逐渐走入了很多人的生活，很多人还用上了更小的掌上电脑。计算机体积的不断缩小，穿戴式计算机得到了迅速发展，以计算机为的穿戴系统初现端倪，并展示了强劲的发展势头，一个典型的穿戴系统的构成如图1所示。图中长距离无线通信通常是指手机等移动通信设备，而短距离无线通信一般包括WLAN或蓝牙等设备，类似GPS的卫星定位设备也是系统的重要组成部分，其他都为计算机的固有设备。这些设备组合在一起，由计算机协调工作，通过显示器或耳机等终端设备向使用者提供所需的信息。

　　当前，构成穿戴系统的各个设备的体积和重量都越来越小，但还不能完全实现真正意义上的穿戴于人体或衣物，要想把这些设备都分散地缝制于人的衣服、帽子、领带等上面，在正常工作的前提下，还不影响人的日常活动，就必须进一步减小这些设备包括构成这些设备的各部件的重量和体积，并降低其剖面高度。

　　天线作为无线通信的必备部件，为了减小整个穿戴系统的体积，可以把它从通信设备中分离出来，作为一个独立的部件，缝制于人的衣物上，天线的馈电端通过射频传输线与通信设备连接，这样还可以把分别用于长、短距离无线通信的两副天线用一个双频工作的天线代替，进一步减小了整个穿戴系统的尺寸。本文就是设计了一个可穿戴于人体的双频平面倒F天线，分别工作于GSM的900 MHz和WLAN的2.45 GHz两个频段，所设计的天线具有小尺寸、低剖面和易加工等优点，完全满足穿戴系统的要求。

　　1 PIFA天线

　　PIFA天线是由单极子天线演变而来的，如图2所示。图2（a）所示为普通的单极子天线结构，高出地面的导体长度约为λ/4。为了降低天线的高度，可以把天线的上端大部分弯折与地平行，但这样又改变了天线的辐射阻抗，为了重新实现天线的阻抗匹配，把馈电点改在导线的中间某一点，导线一端接地，而另一端悬空，因天线的形状和倒F相似，所以称之为倒F天线，如图2（b）所示。把倒F天线的导线部份延展成导体平面，就形成了PIFA天线，如图2（c）所示。

　　可见，PIFA天线是一种平面结构的天线，可直接印刷于电路板上，制作容易，具有体积小、重量轻、成本低等优点，且天线具有较低的剖面结构，容易与人体共形，成为穿戴系统天线的。

　　2 天线的设计

　　2.1 设计方法

　　（1）在穿戴系统中，天线是置于人体附近工作的，人体作为一种介质，必然对天线的谐振频率、辐射方向性图及增益等性能参数产生影响[3]。所以，所设计的PIFA天线必须有较大的接地板，把人体对天线的影响降到，同时较大的接地板还可以削弱天线背向的电磁波辐射，减少人体对电磁波的吸收。

　　（2）为了方便天线穿戴于人体，可以把PIFA天线的馈电方式从传统的底端同轴馈电改为侧面微带馈电，这样可以进一步压缩天线的高度。天线的短路端用两根分别位于两个顶点的短路销钉来代替。

　　（3）由于PIFA天线是由单极子天线延展而成的，且一部分弯折与地平行，辐射电阻产生了变化，需要重新调整天线的阻抗匹配，这可通过沿中线调整馈电点的位置来实现，而天线的阻抗带宽是由天线的高度来控制的[5]。

　　（4）天线要求工作在两个频带，这可通过在天线顶端的导体面上刻蚀U型缝隙的方法来实现。原有的导体平面尺寸决定了天线的低频段谐振频率，而U型缝隙所包围的导体尺寸又形成一个独立的谐振部分，决定了天线的高频段的谐振频率[6]。

　　2.2 天线结构

　　综合以上四点，实际制作的天线结构如图3所示。利用微波仿真软件CST进行辅助设计，基于天线要求工作于GSM的900 MHz和WLAN的2.45 GHz两个频段，终确定各部分的尺寸分别为：L1=54，W1=33，L2=22，W2=16，a=100，b=80，s=1，H=8，h=1（单位：mm）。

　　3 仿真和测量结果

　　在实际制作了天线的基础上，分别测量了天线的回波损失曲线和辐射方向性图，结果如图4和图5所示。

　　由图4可以看出，在dB|S11|≤10 dB的条件下，在低频段天线获得了10%（90 MHz）的相对阻抗带宽，完全覆盖了GSM的900 MHz频段；而在高频段获得了5%（80 MHz）的相对阻抗带宽，满足我国WLAN的2.45 GHz频段的要求。

　　图5分别为仿真和测量所得天线在900 MHz和2.45 GHz时的辐射方向性图，可以看出天线基本沿法线方向辐射电磁波。在900 MHz时，测量所得天线的增益约为0.4 dBi；在2.45 GHz时，测量所得天线的增益约为1.7 dBi。

　　结论

　　本文采用U型缝加载技术，设计了一种用于穿戴系统的双频平面倒F天线（PIFA），分别工作于GSM（通）的900 MHz和WLAN（无线局域网）的2.45 GHz频段，两个频段的相对阻抗带宽分别为10%和5%；在两个谐振频点处，天线的增益分别为0.4 dBi和1.7 dBi。天线具有低剖面结构、重量轻、结构简单等优点，完全满足穿戴系统中长、短距离无线通信要求。