单频段体表/体外双模式可穿戴天线设计*
电子技术应用 2023年9月
沈飘飘1，肖如奇1，刘巾军2，杨国1，齐世山1
（1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094； 2.陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏 南京 210007）
摘要：设计了一款5.5 GHz频段基于超表面的宽带方向图分集天线，可应用于单频段体表/体外双通信模式。通过对超表面天线进行特征模分析，选择合适的定向和全向特征模式，修正超表面结构，抑制高次模，设计合适的馈电结构将其激励出来。最后仿真和测试的结果表明，端口1具有全向辐射特性，可用于体表通信模式；端口2具有定向辐射特性，可用于体外通信模式。天线两种模式的工作带宽为23.6%（4.98 GHz~6.25 GHz），带内隔离度高于30 dB。
中图分类号：TN82 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234002
中文引用格式：沈飘飘，肖如奇，刘巾军，等. 单频段体表/体外双模式可穿戴天线设计[J]. 电子技术应用，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：沈飘飘，肖如奇，刘巾军，等. 单频段体表/体外双模式可穿戴天线设计[J]. 电子技术应用，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
随着无线体域网的快速发展，对可穿戴天线结构和性能的要求越来越高，如何有效地实现体外通信和体表通信间信息的无缝传输至关重要，因此体表/体外双模式天线成为近年的研究热点。方向图分集天线采用多输入多输出（MIMO）技术[1-4]，使得天线在单频段内实现定向方向图和全向方向图的分集，可用于实现体表/体外双模式可穿戴天线的设计。
方向图分集天线的设计方法主要有两种：第一种是选择性激励堆叠或水平并置的不同辐射器，产生不同的辐射方向图，以实现方向图分集[5-9];第二种是通过设计功分移相网络，选择性激励同一辐射器的不同模式，来实现辐射方向图的多样性[10-19]。
本文通过设计功分移相网络，选择性激励超表面结构本身具有的两个模式，设计一款应用于5.5 GHz频段体表/体外双通信模式的可穿戴天线。首先，利用特征模理论[20-21]分析超表面结构，发现了具有定向辐射和全向辐射的两个特征模式，它们在感兴趣的频段内紧密间隔;然后修正超表面结构，选择L型探针去激励超表面的两个模式;最后，设计合适的馈电结构，用于选择性地激发两种模式以实现全向方向图和定向方向图之间的分集。最终设计了一款5.5 GHz频段的基于超表面的宽带方向图分集天线，可应用于单频段体表/体外双通信模式。
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作者信息：
沈飘飘1，肖如奇1，刘巾军2，杨国1，齐世山1
（1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094；2.陆军装备部驻南京地区第四军事代表室，江苏 南京 210007）
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