论文总字数：20729字

目 录

1绪论 1

1.1天线的研究背景及意义 1

1.2国内外发展现状及趋势 2

1.2.1可穿戴天线 2

1.2.2方向图可重构天线 2

1.3论文的主要内容 4

1.4本章小结 4

2理论基础 4

2.1微带天线的概述 4

2.2微带天线的设计 5

2.3微带天线的特性参数 6

2.3.1方向图 6

2.3.2微带线有效介电常数、特征阻抗 6

2.3.3辐射贴片尺寸 7

2.3.4辐射场 7

2.3.5输入导纳 8

2.4本章小结 9

3总体设计 10

3.1总体方案 10

3.2设计考虑 11

3.3本章小结 12

4仿真设计与实物加工 12

4.1 HFSS介绍 12

4.2 天线仿真设计及分析 13

4.2.1实现定向辐射 13

4.2.2实现全向辐射 15

4.2.3人体通信 17

4.2.4实现全向和定向辐射的相互转换 18

4.3 实物加工与测试 20

4.4 本章小结 21

5总结与展望 21

5.1总结 21

5.2不足与展望 21

参考文献 22

致谢 24

用于人体通信的方向图可重构穿戴天线的设计

胡艳

，China

Abstract：In this paper, a pattern reconfigurable wearable antenna for human communication is designed. It consists of a concentric circular loop antenna, a circular patch and a microstrip wire. The feeding mode of the antenna is microstrip line feed, and the port excitation mode is lumped port excitation. The normalized impedance is set to 50 Ω, the center frequency of the selected antenna is 2.45 GHz, and the sweep frequency range is from 1.5GHZ to 3.5 GHz. By using the fast sweep mode, the antenna can obtain the radiation pattern in the plane and the radiation pattern in the vertical direction. One is omnidirectional radiation for body surface communication, and the other is for external communication. A letter of one-way radiation. In addition, the effect of human body on the antenna should be taken into account in the realization of human communication. Finally, the switch of omnidirectional and directional radiation direction is realized by switching off the analog controllable switch through the conduction of the diode.

Keywords: coaxial feed directional diagram reconfigurable antenna the human communication

1绪论

1.1天线的研究背景及意义

近年来，在军事通信、医疗、人体通信和个人娱乐等领域，无线通信技术受到了越来越多的关注^[1-3]。提起无线通信大家无可厚非会想到天线，在人们的映像中天线就是用来接收和发送信号的，虽然天线只是无线通信系统的一小部分，但是无线通信系统工作性能的好坏却会受到天线性能好坏的直接影响，所以天线是无线通信系统的一个非常重要的组成部分，起到的作用不可小觑，因此天线的发展成为了无线通信技术发展的重要内容。为了克服天线对整个通信系统性能的影响，相关专家已经研究出了一种新型天线，即方向图可重构天线。

当然，随着可穿戴天线在服饰上的应用日益增长，以人体为中心的可穿戴天线也成为了研究的热点。本设计要求实现天线的可穿戴，而实现可穿戴的关键技术之一就是人体通信技术，人体通信是一种新型的通信方式，它是利用人体作为信号传输的介质，将信号传输器放在人体表面，当产生信号时，频率最高的信号会通过人体的力量传送给目标设备，从而实现在不同的可穿戴设备之间以及不同佩戴可穿戴设备的人之间的信息传递和交换，主要方法是将通信设备放在人体的某个部位，通过身体的这个部位产生的信号会向外发出使得其他设备接收到人体产生的信号，最终实现数据的交换。在这样的通信系统中，有三个通信链路可以被布置在人体上或者在人体内的所有终端设备构建和共享，其中包括在体通信链路和离体通信链路。体内链接描述的是人体安装设备之间的通道，而体外链接指的是人体穿戴设备与周围用于传输信号的基站单元或者移动设备之间的连接。严格说来体内通信就是指通信设备植入到人体内部相互传播信号的过程，体外通信就是放置在人体或者穿戴在人体表面的设备与外部设备之间的信号传递，因此，本设计实际上是期望能够在不同的身体表面上同时实现不同类型的辐射方向图和不同的偏振的天线。在研究现有的人体通信可穿戴设备时，由于人体可以被看成是一个特别复杂的电磁系统，在现实生活中人体的各层细胞组织的电磁特性是不同的，然而在进行仿真分析时，专家们都会将人体各层组织的电磁特性看成是相同的，这样就不能准确的反映出传输信号在人体不同组织层的电磁特性了。考虑到这些，研究人员想到了利用天线的可重构性来改变辐射方向图，以解决这些问题，并提高所需方向的方向性^[4-6]，辐射方向图是一种可以衡量天线性能的图形，在这个图形当中我们可以观察出天线的辐射方向、增益等参数指标。

早在2012年就已经有相关学者申请了关于人体通信系统的双频天线的专利^[7]，该文章当中描述的是一个单层基板双频天线如图1.1所示，该天线是由图中标出的1介质基片，2同心圆环状辐射贴片，3圆形辐射贴片，4接地层，5短路销钉组成，图中的、、分别为圆形贴片的半径，和圆环的内半径和外半径。其馈电方式是同轴馈电，能同时实现单向和全向两种辐射。

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