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物联网天线技术研究进展

更新时间：2019-12-22 21:19:00 大小：3M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网天线 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

分别从射频识别天线、可穿戴/可植入天线、多物理量传感天线、能量收集天线、基于先进材料及工艺的片上封装天线等角度,系统介绍了目前物联网中的天线技术研究进展.进而结合近年在天线领域科研和教学实践,提出基于“单腔多模”思想、面向物联网应用的多谐天线设计理论,最后列举基于该理论的若干应用实例.

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综述

物联网天线技术研究进展

吕文俊1,2郁剑1,29朱洪波1· 2

(1．南京邮电大学教育部泛在网络健康服务系统工程研究中心，江苏南京210003；

2．南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京210003)

摘要：分别从射频识别天线、可穿戴／可植入天线、多物理量传感天线、能量收集天线、基于先进材料及工

艺的片上封装天线等角度，系统介绍了目前物联网中的天线技术研究进展。进而结合近年在天线领域科研和

教学实践，提出基于“单腔多模”思想、面向物联网应用的多谐天线设计理论，最后列举基于该理论的若干

应用实例。

关键词：物联网；天线；多谐天线设计理论

中图分类号：TN828

文献标识码：A

doi：10．1

1959／j．issn．1000—0801．2019171

the antenna

for internet of

Research

technology

things

progress

LV _{Wenjunl’，YU}

Jian比，ZHUHongb01'2

Basedon

Wireless

Center ofHealth Service

Research

Networks，Ministry

210003，China

System

Ubiquitous

1．Engineering

ofPosts and

University

Telecommunications，Sanjhag

ofPosts and

ofEducation，China，Nanjing

ofWireless

University

Communications，Nanjing

Telecommunications，

_2．JiangsuKey Laboratory

210003，China

Nanjing

RFID

Abstract：From the

sensing antennas，

current

antennas，wearable／implantable antennas，multi-physical

perspectives

on advanced materials and

antennas based

package

antennas，and on-chip

processes，the

energy harvesting

with the research and

research

progress

of antenna

technology

for internet of

things

was introduced．Combined

antenna

multi· harmonic

based on the“sin’

in the field ofantennas in recent

application

design theory

teaching practice

years．the

multi．mode”idea and the

of the intemet of

antenna

theory

design

were

proposed．Finally,several application

things

gle．cavity

this

were listed．

based on

examples

theory

words：internet

Key

ofthings，antenna，multi-resonant

状态变化情况，做出正确识别和实时响应，自适

应地提供不同类型的智慧服务。天线是实现泛在

无线覆盖、精准信息传感和按需智慧服务功能的

引言

物联网能够主动感知环境中人和物的行为及

收稿日期：2019-04-24：修回日期：2019-06-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．61871233，No．61427801，No．61471204)

Foundation

Foundation Items：TheNational Natural Science

ofChina(No．61871233，No．61427801，No．61471204)

201917l一1

万方数据

关键部件之一，研制高性能天线是物联网研究领

域的重要基础工作之一。与常规通信天线相比，

面向物联网应用的天线在形态、特性和功能等方

面更趋多样化，其小型化和宽带化设计需求更

显突出。探索物理概念清晰、通用性强的天线设

计理论及方法，就能研制出性能优异、成本低廉、

便于量产的小型宽带天线，充分满足物联网多样

化应用场景的迫切需求。根据目前研究现状及按

照物联网天线的功能，可大致将其分成如图1所

示的五大类别。

不同物理量映射成天线的电参数，使天线具有湿

度、温度、气／液体浓度、受力等多种物理量的传

感功能【4】，从而解决物联网末梢的多物理、非电

气信息的有效拾取、精确感知和传感测量问题。

(4)能量收集(energyharvesting)天线

能量收集天线可视作整流天线【5]的一个重要

类型，它能富集自由环境中的各种无线电能量，

将其整流转化成直流电能，为能量受限情况下的

传感节点补充电能，从而解决终端自供电问题及

延长物联网节点生存时间。

(5)片上封装天线

结合新材料、新物理机制和新工艺，可在一

块芯片上实现整个射频前端与天线(阵列)的集

成化设计，由此产生了片上封装天线的概念设计【6]，

这类天线着眼同时解决物联网芯片内部信号互联

及外部无线传播的问题。

上述几类天线，绝大多数是从经典天线结构

(如偶极子、单极子、微带贴片等)演化而来的，

依托基于“单腔单模”及“多腔单模”思想(即

所有谐振器只采用谐振的主模式贡献辐射)的传

统天线理论及方法来设计实现。以下将围绕上述

大致分类及理论基础，介绍各类物联网天线的研

究进展情况，进而介绍面向物联网应用、基于“单

腔多模”思想的新型多谐宽带天线设计理论。

基于“单腔单模”及“多腔单模”思想的传统天线设计理论

图l物联网天线的大致分类及其设计理论基础

(1)射频识别(RFID)天线

RFID是物联网最重要、最常用的末梢技术之

一，高性能RFID天线则是最常见的物联网天线，

应用覆盖也最广泛，用于解决物联网无线传感环境

中各种目标及其状态的感知、读取和识别[2】问题。

(2)可穿戴(wearable)天线及可植入

2物联网天线的发展概况

2．1射频识别天线

identification，RFID)

从RFID(radio

frequency

(implantable)天线

系统的基本构成来看，RFID天线可分为读写器天

antenna)两

线(reader

antenna)和标签天线(tag

以人体为中心、基于可穿戴和可植入通信的体

area

network，BAN)[3】是物联网的重

域网(body

大类；按工作机理及其传感范围区分，则可分为

远场辐射型和近场感应型两大类。以900 MHz超

高频(哪)RFID系统为例，兼容多标准RFID

制式的宽带读写器天线【7。01是长期以来天线领域

要末梢形式之一，它利用可穿戴天线或可植入天

线，拾取和传输各种体征信息，解决人一机、人一

人、人一物之间的可靠通信问题，在军事通信、安

防救援、健康监护、医学诊疗等场合中有广泛应用。

(3)多物理量传感天线

的研究热点之一，利用共享孔径(shared．aperture)

概念还能在缩小天线体积的情况下将其拓展至多

将各种先进功能材料集成在天线上，能够把

万方数据

· 126·

综述

频段工作【8J，而工作在高频近场感应状态下的读

写器天线更是属于RFID天线设计领域的挑战性

可穿戴天线则还需要覆盖全球定位系统(GPS)

频段。随着物联网和无线通信向更高频段演进，

如何设计出覆盖频段多、工作带宽较宽、与人体

相互作用小、工艺简单、小巧隐蔽且不易磨损的

可穿戴天线，仍将是未来一大充满挑战性的研究

领域。与可穿戴天线类似的是可植入天线，它们

主要用于各种生物医学领域，如医学成像、生理／

病理研究、疾病诊疗等。常见的可植入天线类型

难题【l

01。与读写器天线相比，标签天线设计则更

侧重于小型化【11-16],特别是适用于金属部件识别

的小型标签天线【l3。14】。由于标签体积受限、工作

环境多变而苛刻，因此如何在小型化基础上确保

系统具有足够大的读出距离，成为RFID标签天

线的研究难点和热点：通过引入各种折叠和介质

加载手段，可成功地将标签天线的尺寸缩小至

1／10波长以下而保持足够长的读出距副14J61。而

对于工作在高频(HF)的近场通信(N暇C)天线，

研究工作则侧重于与LTHF频段天线的兼容设计17-22)，

特别是与金属外壳的便携式终端【19。21】、可穿戴设备

田J等的集成化设计，其主要技术是利用涡流与

NFC环天线之间的耦合增强来提升其读出性能

(18-20】。总而言之，随着物联网应用环境的多样化

和复杂化，未来的RFID天线可能会工作在体积

进一步受限、传播特性更加复杂恶劣的电磁环境

中。在这一系列因素的制约下，RFID天线的小型

化和宽带化设计仍是具有挑战性的难题【11。

包括可降解胶囊天线【35· 361、脑神经记录仪天线【371、

牙医天线【38】、合金骨骼天线‘391、射频消融天线Ⅲ】

等，主要用于维持体内一体外的通信功能，工作频

GHz

段为2．4

ISM波段或3．1～10．6 GHz超宽带波

段。由于天线位于人体内部，因此其性能不可避

免地受到人体组织复杂电磁参数的影响，如何优化

天线结构，提高其工作效率以提升无线链路余量，

进而改善系统信噪比是一项极具挑战性的工作【4l】。

2．3多物理量传感天线

物联网末梢采用各种传感器来精确拾取各种

非电物理量(如压力、物质浓度／pH值、温度、湿

度、声音等)，准确地感知网络环境状态数据，于

2．2可穿戴，可植入天线

是催生出多物理量传感天线的概念设计。就其本

质工作机理而言，可以不失合理地把多物理量传

可穿戴天线在军事、消防、救援以及日常消

费电子领域有广泛应用，它既可以与纽扣、徽章、

拉链、耳机等附件集成在一起【3,23-251，又可以安装

在头盔上【2睨71，还能直接与布料集成混纺在服装

表面【28之91。由于可穿戴天线靠近人体或直接共形

于衣物上，因此如何降低人体对其性能的扰动，

实现其共形／柔性化和耐磨损设计是长期以来备

受关注的难题[23-33】，常用的办法包括采用电磁带

隙(EBG)结构或人工磁导体(AMC)结构【3伽

来降低天线与人体之间的相互作用效应，采用各

种优化的金属一布料混纺工艺【28之91和新型柔性材

料[33-34]来增强天线的抗皱褶和耐拉伸能力等。目

前，主流可穿戴天线覆盖的工作频段与RFID天线

感天线视作RFID标签天线的一种外延类型，或

将其称为“广义RFID标签天线”。通过将不同性

质的新型信息材料集成到常规RFID标签天线上，

就能将上述多种物理量映射成RFID标签天线的

电参数，对多种物理参数进行精确传感和测量。目

前已见报道的多物理量传感天线类型很多，主要包

括湿敏天线【42。431、气敏天线(“电子鼻”天线)14445】、

压敏天线【46舯】、热敏天线【48-501、pH值检测天线陆52】

以及复合功能传感天线【53】等。为了提高传感灵敏

度，多物理量传感天线的工作带宽必须足够窄，

然而这将导致系统传输数据率受限。如何在确保

传感灵敏度的前提下，同时在一定程度上增加天

线工作带宽、提高传感数据传输速率，可能成为

天线领域与未来新型传感材料及制造工艺领域交

MHz

类似，主要包括900

UHF．RFID频段、2．4GHz

工业／科学／医学(ISM)和5．8

GHz频段，头盔式

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