10、生物医学无线通信天线设计与挑战解析

生物医学无线通信天线设计与挑战解析

1. 可穿戴天线概述

可穿戴电子设备能佩戴在人体上、植入体内或隐藏在穿着的服装中，它可通过蜂窝网络或直接相互连接。这些设备包含处理单元、内存模块、传感器、收发模块、电池和天线等组件，其中天线对于建立可穿戴无线连接至关重要。

传统刚性微带天线因难以安装在人体上且尖锐边缘会损伤皮肤，所以在可穿戴设备中并不适用。而可穿戴天线由可穿戴材料制成，专为穿戴时使用而设计，常见应用于生物医学射频系统和人体穿戴式无线通信系统，通常通过无线体域网（WBAN）连接，该网络可将物联网节点、执行器和传感器连接在人体皮肤、衣物或其他组织上，通过合适的通信通道建立可穿戴无线连接。

常见的天线拓扑包括平面倒 F 天线（PIFAs）、缝隙天线、印刷环形天线、单极天线、印刷偶极天线和微带天线等。其中，微带天线因尺寸紧凑、易于制造、具有灵活性和可贴合性，且便于与穿戴者的衣物或可穿戴无线设备集成，成为可穿戴天线的理想选择。实现纺织天线时，绝缘部分由各种介电材料制成，辐射和接地结构则由电子纺织品或其他制造技术实现。

2. 纺织天线设计与演化

本次设计的纺织天线受太极符号启发，在 Ansys 高频结构模拟器（HFSS）19.0 软件中进行设计。为实现太极拓扑，进行了三次迭代设计，同时考虑黄麻基板的尺寸为 20×16×1.5 mm³（长 20 mm、宽 16 mm、高 1.5 mm）。
- 第一次迭代 ：天线由圆形贴片和接地元件组成，工作频率为 4.8 GHz。
- 第二次迭代 ：将圆形元件转换为半圆，该模型在 2.2、5.2 和 6.9 GHz 处谐