基于电磁带隙结构的可穿戴天线研究

Wearable antenna can be integrated into people's clothing seamlessly, and it has the higher invisibility, the more flexibility and adaptability. But due to the electromagnetic characteristics and human fabric material impact on wearable antenna, it has the frequency offset, radiation efficiency of performance deterioration. The purpose of this project is to improve antenna gain and decrease specific absorption rate by the electromagnetic band gap structure, and to find wearable material, the antenna structure and bending range for reliable applications. Using the research methods of electromagnetic simulation and laboratory measurements combined with the research on the electromagnetic characteristics of wearable material; Design of the miniaturized and high performance electromagnetic band gap structure by the wearable material; The EM characteristics of material, the characteristics of electromagnetic band gap, the bending range, and the specific absorption rate are considered for the wearable antenna optimization. The project has important application value and practical significance of research on materials science, cross antenna theory and technology, biological electromagnetism, it is expected to solve some key technologies of wearable antennas design, and provides the important basis for the design of wearable antenna.

可穿戴天线能无缝地融入到人们的衣物中，具有较高的隐蔽性、灵活性和适应性。但是由于织物材料的电磁特性和人体对可穿戴天线的影响，使得天线会发生频率偏移、辐射效率下降等性能恶化的现象。本项目通过设计的电磁带隙结构提高天线的增益，减小比吸收率，寻找满足实际应用需求的可穿戴材料、天线结构和弯折范围等。采用电磁软件仿真和实验室测量相结合的研究方法，对可穿戴材料的电磁特性进行研究，得到其电参数；设计基于可穿戴材料的小型化、高性能电磁带隙结构；结合材料的电磁特性、电磁带隙结构的特性以及可穿戴天线在实际应用场合下的弯折范围、比吸收率等参数的变化，对可穿戴天线进联合优化设计。通过本项目的实施，对材料科学、天线理论与技术、生物电磁学的交叉研究具有重要应用价值和现实意义，有望解决可穿戴天线设计中的若干关键技术，为可穿戴天线的设计提供重要依据。

可穿戴天线通常集成在人体的衣物中，可以很好地实现人体节点的无线通信。本项目针对可穿戴天线对人体的辐射问题，主要研究电磁带隙结构在其中的应用，旨在提高天线的增益，减小天线对人体的辐射。项目的主要研究成果如下：. 在电磁带隙结构方面，主要设计制作了两款矩环状可穿戴电磁带隙结构，分别在无线局域网所用的2.4GHz单频段和2.4GHz/5.8GHz双频段实现了同相反射特性，可以提高天线的增益，减小天线对人体的辐射。. 在可穿戴天线方面，主要设计制作了四款天线。首先，利用并馈结构，实现了对两个平面倒F型天线的同时馈电。利用尼龙导电织物、铜皮分别作为可穿戴天线的辐射单元，并研究了胳膊和弯折半径对其性能的影响，得到天线可适用的弯折半径范围。其次，在传统缝隙耦合天线的基础上，采用矩形环状馈线单元和H形耦合缝隙，提高了天线的阻抗匹配效果，减小了天线的体积。再次，提出了一种可穿戴圆形缝隙天线，通过加载EBG结构提高天线的增益，同时减小天线对人体的辐射。该天线具有较宽的带宽，在天线弯折时比较容易覆盖所需要的频带。最后，提出了一种双频平面倒F形天线，加载EBG结构后，天线仍然具有很好的稳定性。. 本项目的可穿戴天线具有平面化、小型化的特点，易于和微波系统集成；天线对人体的电磁辐射满足要求，具有柔韧、舒适的特点，易于集成在衣物中。项目成果对可穿戴天线的实用化具有重要的意义。