摘 要： 采用U型縫加載技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于穿戴系統(tǒng)的雙頻平面倒F天線(PIFA)，分別工作于GSM(全球通)的900 MHz和WLAN(無線局域網(wǎng))的2.45 GHz頻段，兩個(gè)頻段的相對(duì)阻抗帶寬分別為10%和5%；在兩個(gè)諧振頻點(diǎn)處，天線的增益分別為0.4 dBi和1.7 dBi。天線具有低剖面結(jié)構(gòu)、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足穿戴系統(tǒng)中長(zhǎng)、短距離無線通信要求。
關(guān)鍵詞： 穿戴系統(tǒng)；平面倒F天線；無線局域網(wǎng)
近年來，隨著計(jì)算機(jī)體積的不斷縮小，穿戴式計(jì)算機(jī)得到了迅速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為核心的穿戴系統(tǒng)初現(xiàn)端倪，并展示了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，一個(gè)典型的穿戴系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。圖中長(zhǎng)距離無線通信通常是指手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備，而短距離無線通信一般包括WLAN或藍(lán)牙等設(shè)備，類似GPS的衛(wèi)星定位設(shè)備也是系統(tǒng)的重要組成部分，其他都為計(jì)算機(jī)的固有設(shè)備。這些設(shè)備組合在一起，由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作，通過顯示器或耳機(jī)等終端設(shè)備向使用者提供所需的信息。
當(dāng)前，構(gòu)成穿戴系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備的體積和重量都越來越小，但還不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義上的穿戴于人體或衣物，要想把這些設(shè)備都分散地縫制于人的衣服、帽子、領(lǐng)帶等上面，在正常工作的前提下，還不影響人的日常活動(dòng)，就必須進(jìn)一步減小這些設(shè)備包括構(gòu)成這些設(shè)備的各部件的重量和體積，并降低其剖面高度。
天線作為無線通信的必備部件，為了減小整個(gè)穿戴系統(tǒng)的體積，可以把它從通信設(shè)備中分離出來，作為一個(gè)獨(dú)立的部件，縫制于人的衣物上，天線的饋電端通過射頻傳輸線與通信設(shè)備連接，這樣還可以把分別用于長(zhǎng)、短距離無線通信的兩副天線用一個(gè)雙頻工作的天線代替，進(jìn)一步減小了整個(gè)穿戴系統(tǒng)的尺寸。本文就是設(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴于人體的雙頻平面倒F天線，分別工作于GSM的900 MHz和WLAN的2.45 GHz兩個(gè)頻段，所設(shè)計(jì)的天線具有小尺寸、低剖面和易加工等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足穿戴系統(tǒng)的要求[1]。
1 PIFA天線
PIFA天線是由單極子天線演變而來的，如圖2所示。圖2(a)所示為普通的單極子天線結(jié)構(gòu)，高出地面的導(dǎo)體長(zhǎng)度約為λ/4。為了降低天線的高度，可以把天線的上端大部分彎折與地平行，但這樣又改變了天線的輻射阻抗，為了重新實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配，把饋電點(diǎn)改在導(dǎo)線的中間某一點(diǎn)，導(dǎo)線一端接地，而另一端懸空，因天線的形狀和倒F相似，所以稱之為倒F天線，如圖2(b)所示。把倒F天線的導(dǎo)線部份延展成導(dǎo)體平面，就形成了PIFA天線，如圖2(c)所示[2]。
可見，PIFA天線是一種平面結(jié)構(gòu)的天線，可直接印刷于電路板上，制作容易，具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且天線具有較低的剖面結(jié)構(gòu)，容易與人體共形，成為穿戴系統(tǒng)天線的首選。
2 天線的設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)方法
(1)在穿戴系統(tǒng)中，天線是置于人體附近工作的，人體作為一種介質(zhì)，必然對(duì)天線的諧振頻率、輻射方向性圖及增益等性能參數(shù)產(chǎn)生影響[3]。所以，所設(shè)計(jì)的PIFA天線必須有較大的接地板，把人體對(duì)天線的影響降到最低，同時(shí)較大的接地板還可以削弱天線背向的電磁波輻射，減少人體對(duì)電磁波的吸收。
(2)為了方便天線穿戴于人體，可以把PIFA天線的饋電方式從傳統(tǒng)的底端同軸饋電改為側(cè)面微帶饋電[4]，這樣可以進(jìn)一步壓縮天線的高度。天線的短路端用兩根分別位于兩個(gè)頂點(diǎn)的短路銷釘來代替。
(3)由于PIFA天線是由單極子天線延展而成的，且一部分彎折與地平行，輻射電阻產(chǎn)生了變化，需要重新調(diào)整天線的阻抗匹配，這可通過沿中線調(diào)整饋電點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)，而天線的阻抗帶寬是由天線的高度來控制的[5]。
(4)天線要求工作在兩個(gè)頻帶，這可通過在天線頂端的導(dǎo)體面上刻蝕U型縫隙的方法來實(shí)現(xiàn)。原有的導(dǎo)體平面尺寸決定了天線的低頻段諧振頻率，而U型縫隙所包圍的導(dǎo)體尺寸又形成一個(gè)獨(dú)立的諧振部分，決定了天線的高頻段的諧振頻率[6]。
2.2 天線結(jié)構(gòu)
綜合以上四點(diǎn)，實(shí)際制作的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用微波仿真軟件CST進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，基于天線要求工作于GSM的900 MHz和WLAN的2.45 GHz兩個(gè)頻段，最終確定各部分的尺寸分別為：L1=54，W1=33，L2=22，W2=16，a=100，b=80，s=1，H=8，h=1(單位：mm)。
3 仿真和測(cè)量結(jié)果
在實(shí)際制作了天線的基礎(chǔ)上，分別測(cè)量了天線的回波損失曲線和輻射方向性圖，結(jié)果如圖4和圖5所示。
由圖4可以看出，在dB|S11|≤10 dB的條件下，在低頻段天線獲得了10%(90 MHz)的相對(duì)阻抗帶寬，完全覆蓋了GSM的900 MHz頻段；而在高頻段獲得了5%(80 MHz)的相對(duì)阻抗帶寬，滿足我國(guó)WLAN的2.45 GHz頻段的要求。
圖5分別為仿真和測(cè)量所得天線在900 MHz和2.45 GHz時(shí)的輻射方向性圖，可以看出天線基本沿法線方向輻射電磁波。在900 MHz時(shí)，測(cè)量所得天線的增益約為0.4 dBi；在2.45 GHz時(shí)，測(cè)量所得天線的增益約為1.7 dBi。
本文設(shè)計(jì)了一種分別工作于GSM的900 MHz和WLAN的2.45 GHz頻段的雙頻PIFA天線，在dB|S11|≤10 dB的條件下，兩個(gè)頻段的相對(duì)阻抗帶寬分別為10%和5%，完全滿足要求。本天線只要稍加修改，就可以調(diào)諧到其他需要的工作頻率上，甚至可以實(shí)現(xiàn)三頻或更多頻的工作。天線沿法線方向輻射電磁波，在900 MHz和2.45 GHz處的增益分別為0.4 dBi和1.7 dBi。天線具有低剖面結(jié)構(gòu)、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可獨(dú)立縫制于人的衣物上，應(yīng)用于穿戴系統(tǒng)，同時(shí)完成長(zhǎng)、短距離無線通信。
雖然天線接地板的絕對(duì)尺寸(100 mm×80 mm)已經(jīng)很大，但在低頻段，其電尺寸仍較小，所以天線的后向輻射比較大，天線的增益較小。隨著近年來導(dǎo)電織物的出現(xiàn)，可以把更大面積的導(dǎo)電織物直接縫制在衣物上，作為天線的接地板，這樣就可以明顯改善天線低頻段的輻射方向性圖；甚至還可以把整個(gè)天線都用導(dǎo)電織物來制作，使天線完全集成在衣物上；或者可以把天線加工成一些飾物(胸章、手表等)的形狀，這樣也方便于天線穿戴于人體或衣物上，而不易被發(fā)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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