基于混合能量收集和微型EBG结构的自供电可穿戴物联网设备在生命体征监测中的应用研究

研究人员针对可穿戴医疗设备在尺寸、能效和电磁安全性方面的挑战，开发了一种集成了混合能量收集（太阳能和热电）和微型电磁带隙（EBG）结构的自供电可穿戴IoT设备。该设备通过优化天线设计和PCB布局，实现了17.6%的带宽、77.2%的效率和0.35 W/kg的低SAR值，同时支持连续自供电运行。这项研究为下一代可穿戴健康监测系统提供了紧凑、安全且能源自主的解决方案。

　　

在数字化医疗快速发展的今天，可穿戴设备已成为实时监测心率、血氧饱和度（SpO₂）和体温等生命体征的重要工具。然而，现有设备普遍面临三大瓶颈：依赖频繁充电的电池、电磁辐射对人体组织的影响（以比吸收率SAR衡量），以及天线与电路集成导致的性能下降。这些问题严重限制了设备的长期佩戴舒适性和实用性。尤其对于老年或行动不便的患者，能源供给的不可靠性可能直接威胁健康监测的连续性。此外，蓝牙频段（2.45 GHz）通信模块需要在低功耗、信号强度和SAR安全限值（欧盟≤2 W/kg，美国≤1.6 W/kg）之间取得平衡，这对硬件设计提出了极高要求。

为攻克这些难题，来自越南的研究团队在《Results in Engineering》发表了一项创新研究。他们设计了一种基于混合能量收集和微型电磁带隙（Electromagnetic Bandgap, EBG）结构的自供电可穿戴物联网（IoT）设备。该设备通过太阳能和热电模块（TEC1-12706）实现能源自主，采用共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）馈电的

形天线结合矩形贴片和曲折短路线条，将天线尺寸压缩至16.9×30×0.8 mm³。研究团队还开发了仅15×15×0.8 mm³的EBG结构，通过蜿蜒走线增加电感，有效降低SAR值。最终原型在60×40×24 mm³的紧凑空间内集成了传感器、处理单元和能量管理电路，并采用FR-4基板控制成本。

研究主要运用了四项关键技术：一是通过参数化仿真优化天线尺寸（如前端谐振器长度L_a和宽度W_a），实现2.45 GHz稳定工作；二是基于等效电路模型设计EBG单元结构，利用金属贴片与接地通孔增强电感；三是结合0.47 F超级电容构建混合能源管理系统，测试了有无二极管条件下的能量转换效率；四是通过水平布线策略减少PCB布局对天线性能的干扰，对比了三种布线方向（水平、垂直、45°对角）对S₁₁参数的影响。

研究结果
1. 天线性能优化
仿真显示，加入底部寄生接地贴片后，天线谐振点从-10.1 dB提升至-52.6 dB，带宽从窄带扩展至230 MHz（2.35-2.58 GHz）。通过调节L_a（9-12 mm）和W_a（2-3.5 mm），团队发现W_a=3 mm时谐振效果最佳，验证了贴片间距对电容耦合的关键作用。

2. EBG结构验证
EBG单元在2.45 GHz处反射系数接近0 dB，反射相位75.7°，与天线前向辐射形成相长干涉。集成EBG层后，SAR值从5.05 W/kg降至0.35 W/kg（1 g组织），同时天线效率提升12.9%（达77.2%），远离人体方向的增益增加0.97 dBi至7.82 dBi。

3. 能源自主性测试
在396 Lux光照和34°C温差下，太阳能输出1.44 V（无二极管）或1.15 V（有二极管），热电模块输出2.16 V/4.67 mA。超级电容在纯太阳能和纯热电模式下分别需142分钟和68分钟充满，支持设备以4.07 mA平均电流持续工作2.46小时。

4. 临床参数准确性
与商用iOM-A6和CK-T1803设备对比，15天监测数据显示平均误差为：SpO₂（1.02%）、心率（1.54%）、体温（1.39%）。蓝牙通信的信噪比（SNR）较nRF52840开发板提高12-18 dB，辐射图案测试证实EBG层能有效抑制背向辐射。

结论与意义
该研究首次将混合能源收集、微型EBG结构和紧凑天线设计整合于单一可穿戴平台，解决了能源依赖、电磁安全与设备小型化的矛盾。其创新点包括：1）通过CPW馈电和寄生贴片降低天线尺寸；2）利用蜿蜒EBG单元实现SAR值93%的降幅；3）水平PCB布线策略减少射频干扰；4）太阳能-热电协同供电保障户外/室内环境适应性。这些突破为慢性病远程监护提供了可靠硬件基础，尤其适用于医疗资源匮乏地区。未来研究可探索柔性电路集成和动态能量分配算法，进一步提升穿戴舒适性与系统续航能力。