單頻段體表/體外雙模式可穿戴天線設計*
電子技術應用 2023年9月
沈飄飄1，肖如奇1，劉巾軍2，楊國1，齊世山1
（1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094； 2.陸軍裝備部駐南京地區第四軍事代表室，江蘇 南京 210007）
摘要： 設計了一款5.5 GHz頻段基于超表面的寬帶方向圖分集天線，可應用于單頻段體表/體外雙通信模式。通過對超表面天線進行特征模分析，選擇合適的定向和全向特征模式，修正超表面結構，抑制高次模，設計合適的饋電結構將其激勵出來。最后仿真和測試的結果表明，端口1具有全向輻射特性，可用于體表通信模式；端口2具有定向輻射特性，可用于體外通信模式。天線兩種模式的工作帶寬為23.6%（4.98 GHz~6.25 GHz），帶內隔離度高于30 dB。
中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234002
中文引用格式： 沈飄飄，肖如奇，劉巾軍，等. 單頻段體表/體外雙模式可穿戴天線設計[J]. 電子技術應用，2023，49(9)：14-20.
英文引用格式： Shen Piaopiao，Xiao Ruqi，Liu Jinjun，et al. Design of single band on-/off-body dual-mode wearable antenna[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(9)：14-20.
中文引用格式： 沈飄飄，肖如奇，劉巾軍，等. 單頻段體表/體外雙模式可穿戴天線設計[J]. 電子技術應用，2023，49(9)：14-20.
英文引用格式： Shen Piaopiao，Xiao Ruqi，Liu Jinjun，et al. Design of single band on-/off-body dual-mode wearable antenna[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(9)：14-20.
Design of single band on-/off-body dual-mode wearable antenna
Shen Piaopiao1，Xiao Ruqi1，Liu Jinjun2，Yang Guo1，Qi Shishan1
(1.School of Electronic and Optical Engineering， Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China； 2.Representative Office in Nanjing District of PLA Army Equipment Department，Nanjing 210007，China)
Abstract： A 5.5 GHz band wideband directional pattern diversity antenna based on metasurface is designed, which can be used in single band on-/off-body dual communication mode. By analyzing the characteristic mode of the metasurface antenna, the appropriate directional and omnidirectional characteristic mode is selected, the metasurface structure is modified,the higher-order mode is suppressed, and a suitable feed structure is designed to excite it. Finally, the simulation and test results show that port 1 has omnidirectional radiation characteristics and can be used in on-body communication mode, and port 2 has directional radiation characteristics and can be used in off-body communication mode. The working bandwidth of the two modes of the antenna is 23.6% (4.98 GHz~6.25 GHz), and the in-band isolation is higher than 30 dB.
Key words : wearable antenna；characteristic mode analysis；metasurface；on-body communication；off-body communication
0 引言
隨著無線體域網的快速發展，對可穿戴天線結構和性能的要求越來越高，如何有效地實現體外通信和體表通信間信息的無縫傳輸至關重要，因此體表/體外雙模式天線成為近年的研究熱點。方向圖分集天線采用多輸入多輸出（MIMO）技術[1-4]，使得天線在單頻段內實現定向方向圖和全向方向圖的分集，可用于實現體表/體外雙模式可穿戴天線的設計。
方向圖分集天線的設計方法主要有兩種：第一種是選擇性激勵堆疊或水平并置的不同輻射器，產生不同的輻射方向圖，以實現方向圖分集[5-9];第二種是通過設計功分移相網絡，選擇性激勵同一輻射器的不同模式，來實現輻射方向圖的多樣性[10-19]。
本文通過設計功分移相網絡，選擇性激勵超表面結構本身具有的兩個模式，設計一款應用于5.5 GHz頻段體表/體外雙通信模式的可穿戴天線。首先，利用特征模理論[20-21]分析超表面結構，發現了具有定向輻射和全向輻射的兩個特征模式，它們在感興趣的頻段內緊密間隔;然后修正超表面結構，選擇L型探針去激勵超表面的兩個模式;最后，設計合適的饋電結構，用于選擇性地激發兩種模式以實現全向方向圖和定向方向圖之間的分集。最終設計了一款5.5 GHz頻段的基于超表面的寬帶方向圖分集天線，可應用于單頻段體表/體外雙通信模式。
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作者信息：
沈飄飄1，肖如奇1，劉巾軍2，楊國1，齊世山1
（1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2.陸軍裝備部駐南京地區第四軍事代表室，江蘇 南京 210007）
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