一种用于可穿戴天线阵列设计的多目标快速优化算法

《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》：A Multiobjective and Fast Optimization Algorithm for Wearable Antenna Array Design

该研究提出了一种基于散射矩阵的高效天线辐射特性分析方法，可快速可靠地评估复杂环境中天线的近场和远场分布，并成功应用于可穿戴天线阵列的馈电设计优化，同时引入复杂天线因子（CAF）解决多层介质物体邻近时的近场估计问题。

　　

摘要：

本研究提出了一种计算效率高的技术，用于快速可靠地评估置于复杂环境中的天线的辐射特性。该方法基于所讨论天线系统的散射矩阵表示，以此来获取与选定关注点相对应的近场和远场变化情况。通过多种测试案例验证了该方法的有效性，这些测试案例涵盖了各种类型的辐射器，如偶极子、环状天线和平面倒置折叠天线（PIFA）。由于其计算效率高，该方法被用于设计可穿戴天线阵列的合适馈电方案，通过多目标算法实现所需的近场和辐射场水平。此外，还定义并利用了复合天线因子（CAF）来推广在靠近多层介质物体时的近场估计。

引言

在无线通信和网络领域，穿戴式天线正成为从娱乐到家庭自动化，从安全到军事和生物医学等广泛应用中不可或缺的工具[1]、[2]、[3]。将无线通信设备集成到服装中变得至关重要，但这需要在性能和人体工程学之间取得平衡，因为将天线嵌入服装的过程中通常需要解决设计和实现这些系统时的特定问题[4]、[5]、[6]。此外，将天线放置在人体附近时必须确保用户安全，具体吸收率（SAR）必须严格保持在1.6 W/kg的允许范围内[7]。在[8]中提出了一个特定的测试案例，作者展示了一种通过参数变化优化了后向辐射的折叠偶极子天线。此外，与用户的互动会显著改变所需的辐射模式，导致失谐效应和效率降低，从而可能影响通信范围[9]。为了在不影响用户舒适度的同时保持最佳性能，通常必须确保天线与身体之间的最小距离。使用接地平面[10]或高阻抗表面（HIS）[11]、[12]、[13]是一种常见的策略来减轻这些不利影响。然而，在某些情况下，使用接地天线并不实用，特别是在支持无线体域网络（WBAN）的轻量服装中[14]。