导言
在本天线设计示例中，对纺织材料双频天线在贴身应用中的使用进行了评估。设计和评估均来自一篇已发表的期刊论文 [1]。基本天线设计是一个矩形贴片，由导电胶带覆盖的纺织材料制成。该贴片具有短路壁和调谐通孔，可提高性能并提供双频效果。该天线是柔性的，因此在平坦和弯曲两种条件下都进行了模拟，以衡量对性能的影响。天线在人体模型上进行辐射，以确认比吸收率 (SAR) 值是可接受的。为了在多输入多输出应用中使用，将贴片配对成不同配置的阵列并进行评估。
设备设计和多输入多输出天线模拟
单天线 - 扁平
本MIMO 天线仿真的重点是一种灵活的双频贴片天线设计，该天线由纺织材料制成，可用于贴身应用。贴片天线的基本设计如图 1a（俯视图）和图 1b（角视图）所示。该贴片为矩形，由一层 3 毫米厚的毛毡织物作为基底，基底上覆盖着一层薄薄的柔性导电胶带。基板的两个相邻面上覆盖有短路墙，以便在作为阵列的一部分使用时帮助隔离相邻元件。基底上有一个通孔，可以改变腔体的谐振模式，从而实现双频性能。设计参数和性能测试与论文[1]中的相同。
图 1：贴片天线几何形状的俯视图（左图 1a）和斜视图（右图 1b）。同轴馈线和通孔在贴片顶部以大小圆圈的形式显示。贴片的 -X 和 -Y 侧与地平面短接。
在XFdtd中对初始贴片天线进行了仿真，发现在 2.5 GHz 和 5.5 GHz 左右的频段内，回波损耗是可以接受的，在较高频率下的频段更宽（图 2）。图 3 显示了贴片表面在多个频率下的稳态磁场。图 3a 显示的是 2.45 GHz 频率下的第一个模式。其他模式可见于 5.2 GHz（图 3b）和 5.8 GHz（图 3d）。图 3c 显示了 5.5 GHz 时的 H 场。贴片的增益模式是球形的（图 4），在 2.45 GHz 时的峰值约为 3.4 dBi，在 5.5 GHz 时的峰值约为 6.7 dBi。
图 2：单个贴片的回波损耗在 2.5 千兆赫附近有一个较深的空点，在 5.4 和 5.8 千兆赫附近有两个较浅的空点，在较高频段产生了较宽的工作区域。
图 3：稳态磁场分布图显示了贴片的不同工作模式。左上图（3a）为 2.45 千兆赫频率，右上图（3b）为 5.2 千兆赫频率。下面两幅图（3c 和 3d）显示的是 5.5 和 5.8 千兆赫时的响应。
图 4：贴片在 2.45 千兆赫（左图 4a）和 5.5 千兆赫（右图 4b）的增益模式为球形，峰值增益分别为 3.4 和 6.7 dBi。
为了评估 SAR 性能，将贴片置于由皮肤、脂肪和肌肉层组成的分层模型上方 5 毫米处，如图 5 所示。对 0.5 W 输入功率的 1 克平均 SAR 值峰值进行了计算，发现在 2.45 和 5.5 GHz 时分别为 0.113 W/kg 和 0.18 W/kg，远低于标准允许的最大值。使用 10 克平均 SAR 分析，0.5 W 输入功率的 SAR 水平在 2.45 和 5.5 GHz 分别为 0.058 W/kg 和 0.082 W/kg，同样远低于标准允许的最大值。每个频率的 10 克平均 SAR 值分布见图 6。
图 5：为测试贴片天线的比吸收率（SAR），在皮肤、脂肪和肌肉等效组织的三层模型上进行了模拟。
图 6：2.45 千兆赫（左图，6a）和 5.5 千兆赫（右图，6b）的 10g 平均 SAR 图显示了幻影中功率吸收最高的区域。该值为 0.5 W 输入功率，远低于允许标准。
单天线 - 弯曲
贴片天线设计接下来要评估的是在更现实的条件下的性能，即在天线可能出现弯曲的情况下，天线是否能佩戴在身上。该设计在天线 X 轴和 Y 轴的弯曲半径分别为 40 毫米和 80 毫米时进行了测试。图 7 显示了每个方向半径为 40 毫米的弯曲配置。如图 8 所示，在所有弯曲情况下，低频段的回波损耗性能都非常一致，而高频段的空点深度和位置则有一些变化。在所有情况下，天线性能都保持在可接受的水平。对于 40 毫米的弯曲半径，2.45 千兆赫的增益模式与扁平几何形状的模式形状非常一致，而最大增益则从 3.4 分贝下降到 2.2 分贝（X 轴弯曲）和 1.8 分贝（Y 轴弯曲）。在 5.5 GHz 时，增益模式变得不那么均匀，峰值增益比平面几何情况下降低了约 2 dBi。40 毫米弯曲半径的增益模式如图 9 所示。对于 80 毫米弯曲半径的情况，增益模式的形状更接近于平面几何图形，但在 2.45 GHz 时，峰值增益降低到 2.8 dBi（X 轴弯曲）和 2.5 dBi（Y 轴弯曲）。在两种弯曲情况下，5.5 GHz 的峰值增益都降低了约 1 dBi。80 毫米弯曲半径情况下的图案如图 10 所示。
图 7：贴片为曲线配置，曲线半径为 40 毫米。左边（7a）的曲率围绕 X 轴，右边（7b）的曲率围绕 Y 轴。对半径为 80 毫米的曲率也进行了类似的几何模拟。
图 8：围绕半径弯曲的所有贴片配置的回波损耗显示出相似的结果，尤其是在低端。对于高频谐振，回波损耗略有不同，但所有情况下的工作区域都相似。
图 9：贴片天线在曲面结构上的增益模式显示出模式的细微变化和增益峰值的降低。图像为 2.45 GHz 时 40 mm 的 X 曲线（左上角，9a）、2.45 GHz 时 Y 曲线（右上角，9b）、5.5 GHz 时 X 曲线（左下角，9c）和 5.5 GHz 时 Y 曲线（右下角，9d）。
图 10：贴片天线在曲面结构上的增益模式显示出模式的细微变化和增益峰值的降低。图像为 2.45 GHz 时 80 mm 的 X 曲线（左上角，10a）、2.45 GHz 时 Y 曲线（右上角，10b）、5.5 GHz 时 X 曲线（左下角，10c）和 5.5 GHz 时 Y 曲线（右下角，10d）。
多输入多输出阵列
基础贴片天线的设计接下来被放入 1x2 天线阵列配置中，用于多输入多输出（MIMO）。两个天线的方向有六种不同的组合，其中一个或两个元件都会旋转。所有配置的天线间距均为 10 毫米，贴片相向的边缘始终包含短路墙，以尽量减少相互作用。图 11 显示了六种配置。如图 12 所示，无论第二个元件的方向如何，天线阵列仿真中显示的回波损耗性能都非常一致。由 S12 参数决定的元件之间的相互作用保持在 -17 dB 以下（图 13）。
图 11：对 1x2 MIMO 阵列的六种配置进行了性能评估。在每种情况下，天线元件之间的间距均为 10 毫米，且短路侧始终朝向相邻元件。上排的配置分别为 a、b 和 c，下排的配置分别为 d、e 和 f。在每种情况下，元件都会有一些旋转，以改变馈电点和短路墙的位置。
图 12：MIMO 阵列所有变化（图 11 中的 a 到 f）的回波损耗几乎相同。
图 13：S12 幅值图显示了多输入多输出阵列两个元件之间的隔离度。在所有情况下，隔离度都保持在 -17 dB 以下。
对图 11 所示各种配置的单个增益模式进行单独计算，发现它们具有类似的模式形状和峰值增益，如图 14 所示。通过计算包络相关系数和复相关系数来考虑两种模式的相互作用，以确定阵列是否具有可接受的多样性。所有阵列配置的系数都远低于可接受的 0.5 值，详见表 1。
表 1：2.45 和 5.5 GHz 频率下六个 MIMO 阵列的包络相关性和复相关系数。
图 14：配置 11b 的每个贴片在 2.45 千兆赫（左图，14a）和 5.5 千兆赫（右图，14b）的增益图。这些图是每个天线独立工作时的图。
为了衡量阵列的覆盖范围，通常使用等效（或有效）各向同性辐射功率（EIRP）来衡量。使用图 11b 的配置，绘制出 EIRP 的累积分布函数，并在图 15 中标出 23 dBmW 输入功率。图中显示，2.45 GHz 时的覆盖范围为 (1 - 0.69755) 或球面的 30.2%，5.5 GHz 时的覆盖范围为 (1 - 0.62423) 或球面的 37.6%。图 11 中的六种配置在 2.45 GHz 时的平均覆盖率为 28.6%，在 5.5 GHz 时为 38.3%。
图 15：等效各向同性辐射功率 (EIRP) 的累积分布函数表示在给定输入功率下阵列可能的覆盖范围。对于图 11b 中的阵列，当选择 23 dBmW 的输入功率时，2.45 GHz（1-0.69755）处的覆盖率为 30.2%，5.5 GHz（1-0.62423）处的覆盖率为 37.6%。
MIMO 阵列 - 曲面
图 11b 中的多输入多输出阵列下一步将以 40 毫米为半径弯曲，就像之前单贴片情况一样。图 16 显示了阵列绕 Y 轴弯曲的情况。仿真后，S 参数显示两根天线的回波损耗都很好，而且在整个频率范围内，元件之间的隔离度优于 -27 dB（图 17）。在 2.45 千兆赫和 5.5 千兆赫频率下，两个弧形元件的单个增益模式显示出相似的模式形状，但与平面方向相比，增益有所降低（图 18）。弧形阵列的包络相关系数非常好，2.45 GHz 为 6.0e-3，5.5 GHz 为 5.1e-5。在相同频率下，复相关系数分别为 7.8e-2 和 7.1e-3。如图 19 所示，在 EIRP 分析中，输入功率为 23 dBmW 时，弧形阵列的覆盖率比平面阵列高，在 2.45 和 5.5 GHz 时分别为 32.2% 和 48.1%。
图 16：图 11b 中的多输入多输出（MIMO）阵列围绕一个半径为 40 毫米的圆柱体沿 Y 轴弯曲。
图 17：图 16 中曲面 MIMO 阵列的回波损耗和隔离度显示，在 2.5 GHz 和 5.3-6 GHz 附近的频段具有良好的性能。
图 18：图 16 中弧形结构的阵列元件增益模式被曲线很好地分隔开来，应能覆盖更广的区域。
图 19：等效各向同性辐射功率 (EIRP) 的累积分布函数表示在给定输入功率下阵列可能的覆盖范围。对于图 16 中的阵列，输入功率为 23 dBmW 时，2.45 GHz 的覆盖率为 32.2%，5.5 GHz 的覆盖率为 48.1%，比图 11b 中的平面阵列的覆盖率有所提高。
结论
本示例展示了一种可用于双频的可穿戴式天线设计，该天线由纺织材料制成。在实际使用中，天线可能会发生变形，但其性能仍然可以接受。当组合成多输入多输出阵列时，天线显示出良好的隔离性和可接受的天线性能。
参考资料
[1] S. Yan, P. J. Soh, and G. A. E. Vandenbosch, "Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology," IEEE Trans.天线与传播》，第 63 卷，第 11 期，第 4640-4647 页，2015 年 11 月。
