基于特征模分析的小型化圆极化超表面天线及其在可穿戴医疗设备中的应用

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：A Miniaturized CP Antenna Using Superstrate for Medical Applications

本文针对可穿戴医疗设备对天线小型化、安全性和通信可靠性的迫切需求，提出了一种基于特征模分析（CMA）的创新型圆极化（CP）天线设计。研究人员通过引入45°开槽、短路针与高介电常数Al2O3超表面协同设计，实现了电气尺寸仅0.32λ×0.32λ的微型天线。该天线在2.45 GHz ISM频段表现出4.1%的阻抗带宽与4.6%的轴比带宽，比吸收率（SAR）值显著低于国际安全标准（1g组织0.274 W/kg，10g组织0.396 W/kg），并具备100米可靠通信距离。此项研究为人体域网络（WBAN）提供了兼具理论严谨性与工程实用性的天线解决方案。

　　

在智能医疗设备蓬勃发展的今天，可穿戴天线作为人体域网络（WBAN）的核心组件，其性能直接关系到生命体征监测的准确性与实时性。然而，传统天线在贴近人体使用时面临三大难题：首先，人体组织的电磁特性会引发阻抗失配和频率偏移；其次，线性极化天线在人体移动时易因极化失配导致通信中断；此外，电磁波能量吸收必须严格满足比吸收率（SAR）安全限值。更严峻的是，医疗设备要求天线兼具微型化、稳定增益和圆极化特性，而现有技术往往通过试错法设计，缺乏对天线物理机制的深入掌控。

针对这些挑战，Sarosh Ahmad等人发表在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》的研究，开创性地将特征模分析（CMA）作为天线设计的核心理论工具。团队设计了一款工作在2.45 GHz ISM频段的微型圆极化天线，其创新之处在于通过CMA精准调控特征模的相位关系，结合45°开槽与超表面结构，实现了“首尝试即成功”的圆极化性能。该天线在自由空间与人体邻近环境下均保持4%以上的轴比带宽，SAR值仅为标准限值的1/5，堪称可穿戴天线设计领域的突破性进展。

关键技术方法包括：（1）采用特征模分析确定天线结构的最佳开槽位置与相位控制点；（2）利用介电常数9.8的Al₂O₃超表面实现尺寸缩减；（3）通过短路针与多层结构优化电流分布；（4）基于真实人体臂部模型进行SAR评估与链路预算分析。实验样本包含自由空间测试、分层组织 phantom（皮肤/脂肪/肌肉）以及完整人体臂部模型三类场景。

天线设计分析

通过四阶段优化过程（ANT I-IV），研究团队逐步引入45°开槽、短路针和超表面结构。最终版本（ANT IV）在2.45 GHz实现谐振频率精准定位，轴比带宽覆盖2.43-2.53 GHz。参数化研究表明，水平槽宽度（G）控制谐振频率偏移，槽长度（L）主导圆极化性能，短路针直径（P）影响反射系数水平，而外环宽度（S）同时调控阻抗匹配与轴比特性。

人体邻近环境下的性能评估

在暗室测量中，天线在自由空间与人体组织表面均保持稳定阻抗带宽（2.41-2.55 GHz）。辐射方向图测试显示，天线在E面（θ=0°）和H面（θ=90°）均呈现均匀全向辐射特性。特别值得注意的是，在人体臂部模型上测量时，天线增益从自由空间的3.92 dBi提升至3.98 dBi，辐射效率仅从78%降至68%，证明其具备优异的抗人体干扰能力。

比吸收率（SAR）分析

当输入功率为0.5 W时，天线在小型人体组织模型上的SAR值为0.231 W/kg（1g）和0.35 W/kg（10g），在完整人臂模型上为0.274 W/kg（1g）和0.396 W/kg（10g），远低于IEEE/IEC 6270-1标准规定的1.6 W/kg（1g）和2 W/kg（10g）限值。这种低辐射特性得益于超表面结构对电磁能量的有效约束，以及CMA指导下的优化电流分布。

链路预算分析

在传输功率-4 dBm、数据速率1 Mbps的严苛条件下，天线在2.45 GHz频段可实现超过100米的可靠通信距离。分析表明，即使在80米处仍保持62.5 dB的链路余量，完全满足医疗设备对连续监测的需求。这种性能优势源于圆极化对多径衰落的抑制能力，以及全向辐射模式对体位变化的适应性。

该研究的核心突破在于将特征模分析从后期验证工具提升为前期设计指导框架。通过特征角（CA）与模态显著性（MS）的定量分析，团队实现了对正交模90°相位差的精确控制，这相较于传统的试错法设计具有显著优势。天线0.32λ×0.32λ的电气尺寸刷新了同类产品的迷你化纪录，而超表面与短路针的协同设计则成功解决了小型化与效率间的矛盾。

值得关注的是，研究团队建立了从理论分析、仿真优化到实验验证的完整技术链条。通过自由空间、组织 phantom 和真实人臂的三重验证，不仅证实了天线性能的可靠性，更构建了可穿戴天线设计与评估的新范式。这种端到端的研究方略为未来医疗物联网设备的天线设计提供了重要参考，特别是在需要兼顾安全性（SAR）、可靠性（链路预算）与用户体验（小型化）的复杂场景中展现出独特价值。