研究团队
陈照敏，战俊麟，陈昊，杨武，刘震国，陆卫兵：东南大学信息科学工程学院—毫米波全国重点实验室，紫金山实验室
李亚，何洪俊：中国移动通信有限公司研究院—未来研究院
文章下载
Chen Z M, Zhan J L, Chen H, et al . Robust textile-based spoof plasmonic frequencyscanning antenna for on-body loT applications . Sci China Inf Sci, 2024, 67(8): 182304
研究意义
频率波束扫描天线（FBSA）因其具有波束可调控的优势，在物联网（IoT）中有广泛的应用，例如避障导航、室内定位、远程体征监测和无线通信。基于传统覆铜板的FBSA应用于人体可穿戴时，会影响人体舒适性。随着下一代人机交互技术逐渐向柔性设备发展，基于织物的柔性天线由于其具有柔软性、透气性以及可与日常服装无缝集成的优点，成为未来体域网通信应用的重要选择。 然而，织物柔性天线在可穿戴场景下，其结构常常会发生形变，导致天线性能发生变化甚至恶化，进而影响无线通信性能。尤其是对于FBSA这类方向性的窄波束天线，结构形变引起的辐射性能变化更加剧烈。此外，确保低的比吸收率（SAR）对于保证人体在可穿戴通信中的安全至关重要。因此，如何实现一种具有抗变形能力、低SAR、良好环境覆盖率且佩戴舒适的紧凑型FBSA，成为体上避障导航和无线通信领域的挑战。
图1 抗变形织物基FBSA体上避障导航概念示意图
本文工作
针对上述问题，本文提出并设计了一种抗变形的织物基FBSA，用于测量目标角度，并通过调节频率实现向特定目标的无线信号传输。图1展示了所提方案的概念示意图。
与传统的刚性或具有共型曲面能力的FBSA不同，本文提出的天线采用芳纶3A（Nomex III-A）作为基板，并结合导电织物作为辐射体，提供了一种低剖面且舒适的可穿戴技术解决方案。相比传统通过基模快波模式实现频率波束前向辐射扫描的方法，本文基于高次谐波模式的周期性人工表面等离子体激元（SSPP）技术，实现了从后向到前向的辐射，显著扩展了辐射方向的覆盖范围。为减少天线对人体的辐射并保障穿戴者安全，本文设计了一个位于SSPP结构下方的人工磁导体（AMC）平面。
本文的主要贡献如下： (1) 提出并探索了基于织物的抗变形人工等离子体频率扫描天线的概念。 织物基材料的使用使得该天线能够无缝集成到衣物中，适用于体上可穿戴应用。 (2) 提出了一种新型SSPP单元设计。 基于该单元的周期性调制天线（图2）在4.7–6.0 GHz频率范围内实现了70°的波束扫描角度范围，平均实现增益为13.15 dBi，该天线在应对人体活动引起的变形时表现出良好的鲁棒性。 (3) 通过引入AMC平面，有效降低了天线在与人体手臂模型贴合时的SAR值（0.113 W/kg），确保用户安全。 同时，AMC平面将辐射波反射至上方空间，进一步提高了天线的辐射增益。 (4) 设计的SSPP单元确保了基于共面波导（CPW）的SSPP天线能够高效传输基模信号， 展示了其作为紧凑型体上网络中多功能复合设备的潜力。(5) 最后，通过无线通信质量实验，验证了所提天线在频率变化时能够测量目标角度，并实现向特定目标的无线信号传输。
图2 抗变形的织物基FBSA
实验结果
为了验证所提出的设计，采用激光切割技术将Nomex III-A织物基板（介电常数2.605， 损耗正切角0.027, 厚度为0.5 mm）和导电织物（表面电阻为0.05 欧姆/平方）加工成预设图案。然后，使用切割-转移方法对原型进行处理。为了验证所提出的SSPP结构和天线在不同状态下S参数的鲁棒性，图3展示了测量SSPP结构和天线S参数的实验装置照片。
图3 测量SSPP结构和天线在不同状态下S参数的鲁棒性
图4显示了实测结果。其中图4(a)表明，所提出的SSPP结构在弯曲状态下，其S参数曲线几乎没有变化。图4(b)显示，所提出的天线对形变和人体手臂加载具有良好的鲁棒性。
图4 S-参数实测结果：(a) 所提出的SSPP结构在平坦状态和弯曲状态下的表现；(b) 天线在平坦状态、加载手臂状态以及波状弯曲状态下的表现
此外，为了获取远场辐射性能，SSPP结构和天线还在暗室中进行了测量，结果展示在图5和图6中。加载AMC的SSPP结构有效抑制了AMC平面下方的波束辐射，将双波束辐射转换为单波束辐射。该SSPP结构在4.7至6.0 GHz的频率范围内展现了频率扫描辐射特性，实现了约70°的波束扫描角范围。
图5 对比了SSPP结构和平坦状态下的天线，以及波状弯曲状态下的天线在一些典型频率（如4.7 GHz、5.0 GHz、5.4 GHz和6.0 GHz）下的归一化实测辐射模式。
为了验证所提出的天线在测量目标角度及通过频率变化实现向特定目标进行无线信号传输的能力，我们进行了实际的无线通信系统实验。实验使用了通用软件无线电外设（USRP）系统（来自武汉洛威的USRP N310），如图7所示。
实验中，将所提天线放置在人体手臂上，并连接到USRP系统的发射端口。作为测量目标，一只喇叭天线被放置在距离人体模型约140厘米的不同角度处，并随着操作频率进行调整，同时连接到USRP系统的接收端口。USRP系统的调制方案设置为二进制相移键控（BPSK）。实验环境建立后，在不同角度和频率变化下进行了无线图像通信实验。结果表明，所提出的天线能够有效测量目标角度，并在频率变化时实现对特定目标的无线信号传输，且未出现比特错误。这一表现展示了该天线在体上传感器网络和可穿戴无线通信系统领域的巨大潜力。