应用于无线体域网的可穿戴天线设计：USRP-LW N310实现从理论到实测的系统性验证

导读：

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。

针对上述问题，东南大学陆卫兵团队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。

图1 抗变形织物基FBSA体上避障导航概念示意图

其主要创新点如下： (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，适用于可穿戴应用。 (2) 提出了一种新型人工表面等离子体激元（SSPP）单元设计，实现了70°的扫描范围与13.15 dBi平均增益，在应对人体活动引起的变形时表现出良好鲁棒性。 (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，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，证实其可基于频率变化实现无差错定向传输。

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，团队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系统（来自珞光电子的USRP-LW N310），如图2所示。

实验中，将所提天线放置在人体手臂上，并连接到USRP-LW N310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-LW N310系统的接收端口。USRP-LW N310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。

 USRP-LW N310 

在本论文中所采用的USRP-LW N310是一款网络化软件定义无线电，可为大规模和分布式无线系统中的部署提供可靠性和容错能力。

USRP-LW N310是目前SDR市场上通道数量最高的产品之一，射频前端采用ADI公司的双AD9371 RFIC收发器，以半宽RU封装形式提供４组收发通道。基带处理器使用Xilinx Zynq-7100 SoC提供大型用户可编程FPGA，用于实时和低延迟处理，以及双核ARM CPU，用于独立操作。通过双SFP+端口支持1 GbE，10 GbE和Aurora接口，可实现向主机PC或FPGA协处理器的高吞吐量IQ流。通过引入远程执行任务的能力简化了对无线电网络的控制和管理，如调试，更新软件，重新启动，恢复出厂设置，自检，主机PC/ ARM调试和监控系统运行状况。

相关研究成果以“Robust textile-based spoof plasmonic frequencyscanning antenna for on-body loT applications”（适用于人体物联网应用的鲁棒性织物基人工等离子频率扫描天线）为题发表在中国科学信息科学SCIS《SCIENCE CHINA Information Sciences》上。