提升服装材料的介电特性：基于克拉默斯-克朗尼格关系式的扩展琼舍模型

《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》：Enhancing Dielectric Characterization of Clothing Materials: An Extended Jonscher Model Supported by the Kramers–Kronig Relations

提出一种结合开端式同轴探针法和改进双传输线法的混合算法，用于精确测量服装材料0.5-20GHz频段的复介电常数。通过扩展Jonscher模型有效解决低频段测量难题，验证Kramers-Kronig关系确保阻抗恒定比，澄清0.5-6GHz频段损耗因子随频率升高而下降的特性，为可穿戴设备天线设计提供新方法。

　　

摘要：

本研究介绍了一种新型算法，用于精确表征服装材料的介电特性，这对于无线体域网络（WBANs）和5G技术至关重要。我们的混合技术结合了开放式同轴探针（CP）方法和改进的双传输线方法，能够准确测量0.5至20 GHz范围内的复介电常数。通过扩展的Jonscher模型（EJM），我们的方法显著提高了介电特性的评估精度，尤其是在低频段，以往的研究和传统模型在此方面存在不足。EJM展示了介电常数（DK）和损耗因子（LF）与频率之间的幂律关系，这一关系通过Kramers–Kronig（KK）关系得到了验证，确保了电导率实部和虚部在频率变化时的恒定比例。重要的是，我们的研究澄清了0.5–6 GHz范围内损耗因子（LF）的争议性行为，证明了LF会随着频率的增加而减小。这项研究代表了天线工程和可穿戴技术的重大进展。

引言

可穿戴技术的最新进展彻底改变了生理参数的非侵入式记录方式，引发了物联网领域的范式转变，并促进了以用户为中心的创新应用的发展[1]。随着这些设备的不断发展，它们在提升个人幸福感、简化日常活动以及创造无缝体验方面的潜力，将重新定义技术与人之间的关系[2]、[3]。然而，可穿戴技术的进步凸显了准确评估介电特性的迫切需求[4]、[5]，因为这些特性对于精确设计和可靠性能至关重要。特别是在智能服装和集成天线领域，智能可穿戴技术研究对介电特性给予了高度重视。服装天线是直接制造在服装上的，利用服装本身作为天线/传感器基板（SUB），而可穿戴天线通常则是单独制造后再集成到织物中的[6]。设计服装天线的一个主要挑战在于服装材料的厚度及其复杂的介电特性（CDP），尤其是相对介电常数（）。准确量化CDP对于服装天线的设计至关重要，也是天线工程的关键方面[7]、[8]、[9]。此外，人在活动过程中服装材料不可避免的拉伸和弯曲会显著改变有效CDP，从而导致共振频率的失谐。Galehdar和Thiel[10]证明，具有足够宽频带的天线可以有效缓解这些影响，从而强调了在宽频率范围内掌握CDP知识的重要性。