Миниатюрная двухпортовая кругополяризованная MIMO микрополосковая антенна для соответствующих нормам SAR носимых систем связи в X-диапазоне

Меньше, безопаснее: беспроводные устройства на теле

Умные часы, фитнес‑браслеты и медицинские носимые устройства полагаются на крошечные радиомодули, расположенные прямо на коже. По мере того как эти гаджеты обрабатывают больше данных на более высоких скоростях, их антенны должны уменьшаться, сохранять работоспособность во время движения и оставаться безопасными при длительном контакте с телом. В этом исследовании показано, как антенный элемент размером со спичечный коробок может одновременно удовлетворять всем этим требованиям в малоиспользуемой полосе высоких частот, открывая путь к более функциональным и в то же время комфортным носимым устройствам.

Почему важна эта малоиспользуемая полоса

Работа сосредоточена на так называемом X-диапазоне около 9 гигагерц — участке спектра, который сегодня в основном применяется для радаров на кораблях, самолётах и спутниках. На этих частотах длины волн короткие, поэтому антенны могут быть очень компактными, при этом затухание в воздухе остаётся умеренным по сравнению с миллиметровыми волнами. В отличие от загруженных полос Wi‑Fi и сотовой связи ниже 6 гигагерц, диапазон 9,0–9,3 ГГц содержит гораздо меньше потребительских устройств, что снижает помехи. Это делает его привлекательным для короткодистанционных носимых связей, требующих компактного оборудования и чистых каналов.

Задача — объединить множество требований в одной антенне

Проектирование антенны для устройства на запястье или в форме патча в этих частотах — не простая операция масштабирования. Доступная поверхность на теле очень мала, тогда как ранее предложенные кругополяризованные X‑диапазонные антенны часто имели размеры в несколько сантиметров. Близость к коже изменяет настройку резонанса и может ослаблять сигнал, если антенна не экранирована должным образом. Инженерам также нужны несколько антенных портов, чтобы устройство могло использовать методы MIMO для борьбы с замиранием сигнала. В то же время антенна должна излучать так, чтобы оставаться в пределах строгих норм по тому, сколько энергии поглощает близлежащая ткань, — это измеряется удельной скоростью поглощения (SAR). Предыдущие разработки обычно удовлетворяли лишь часть этих требований.

Парная антенна размером со спичку

Команда создала двухпортовую антенну размером всего 40 на 15 миллиметров и толщиной 1,6 миллиметра — примерно как тонкая жвачка. Она использует два небольших круговых металлических патча, расположенных бок о бок на общей подложке, с непрерывным металлическим слоем под ними, который стабилизирует диаграмму направленности и экранирует тело. Каждый патч питается снизу коротким коаксиальным зондом, смещённым немного от центра. Это простое геометрическое смещение вместе с округлым краем патча естественным образом формирует две составляющие электромагнитной волны, равные по величине, но с разностью фаз в четверть цикла, что обеспечивает круговую поляризацию без дополнительных вырезов, скосов углов или сложных сетей питания.

Как антенна обеспечивает чистую связь без взаимных помех

Патчи расположены всего в нескольких миллиметрах друг от друга — настолько близко, чтобы помещаться в носимое устройство, но достаточно далеко, чтобы их ближние поля существенно не перекрывались. Моделирование и измерения показывают, что при активации одного порта ток на другом патче остаётся значительно слабее, а энергия, испускаемая каждым патчем, направлена в слегка разные стороны и имеет закручивающуюся структуру. Это даёт низкую корреляцию между двумя сигналами, что критично для MIMO. В пределах полосы 9,0–9,3 ГГц оба порта хорошо согласованы со стандартной радиотехникой, их взаимное влияние остаётся ниже уровня, который мог бы нарушить диверсные преимущества, а круговая поляризация стабильна, поэтому мощность сигнала не падает при повороте запястья или движении в сложной внутренней среде.

Обеспечение безопасности пользователя

Для проверки безопасности исследователи разместили модель антенны на реалистичной трёхслойной цифровой руке, состоящей из кожи, жира и мышцы, и рассчитали, сколько мощности поглощают ткани. Даже на рабочей частоте пиковые значения SAR находятся существенно ниже международных предельных уровней при усреднении по одному и десяти граммам ткани. Сильное отношение «вперед‑назад» диаграммы направленности показывает, что большая часть мощности направлена от тела, а металлическая подложка и компактная геометрия ограничивают горячие точки в коже. Это указывает на то, что антенна может поддерживать непрерывное или длительное использование в реальных носимых устройствах без превышения нормативных порогов.

Что это значит для будущих носимых устройств

На практическом уровне исследование предлагает план по созданию очень компактных антенн, которые при этом обеспечивают надёжные, нечувствительные к ориентации каналы связи и многоканальную ёмкость, требуемую современными беспроводными системами, при соблюдении стандартов безопасности. Доказав, что миниатюризация, круговая поляризация, характеристики MIMO и низкий SAR могут сосуществовать в одной простой конструкции в X‑диапазоне, работа указывает путь к будущим умным браслетам, медицинским мониторам и даже маленьким радарным сенсорам, которые будут одновременно мощными и комфортными в ношении.

Цитирование: Gloria, J.P., Anbarasu, M.M., Liakath, J.A. et al. A miniaturized dual-port circularly polarized MIMO patch antenna for SAR-compliant wearable X-band communication systems. Sci Rep 16, 16150 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47610-7

Ключевые слова: носимая антенна, X-диапазон, круговая поляризация, MIMO, безопасность SAR