一种用于符合SAR标准的可穿戴X波段通信系统的微型双端口圆极化MIMO贴片天线

更小、更安全的体载无线设备

智能手表、健身手环和医疗可穿戴设备都依赖紧贴皮肤的小型无线电。随着这些设备处理更多数据并追求更高速率，其天线必须更小、在运动时仍能可靠工作，并且在长期接触身体时保持安全。该研究展示了一种火柴棒尺寸的天线如何在X波段同时满足所有这些需求，为更强大且舒适的可穿戴设备打开了大门。

为何这一较少使用的频段重要

这项工作聚焦于所谓的X波段，约在9吉赫左右，这是目前主要用于舰船、飞机和卫星雷达的频谱片段。在这些频率下，电磁波波长较短，因此天线可以做得非常小，同时相比毫米波频段，空气中的信号损耗仍处于适中水平。与6吉赫以下已被Wi‑Fi和蜂窝网络占用拥挤的频段不同，9.0至9.3吉赫范围的消费设备远少，这减少了干扰。这使得该频段对需要紧凑硬件和清晰信道的短距离体佩式链路颇具吸引力。

在一枚天线中兼顾多重要求的挑战

在这些频率为腕表或贴片式设备设计天线并非简单的缩小比例。可用的体表面积十分有限，而早期的圆极化X波段天线通常尺寸为数厘米。靠近皮肤会改变谐振并削弱信号强度，除非天线经过精心屏蔽。工程师还希望天线具备多个端口，以便设备可以使用多输入多输出（MIMO）技术对抗信号衰落。同时，天线的辐射必须在限制近邻组织吸收能量的严格安全标准内，这通常以比吸收率（SAR）来衡量。此前的设计通常只能满足其中部分目标。

一枚火柴棒大小的双天线

团队构建了一款尺寸仅为40×15毫米、厚1.6毫米的双端口天线，体积大致相当于一条薄口香糖。它在共用的支撑板上并排放置了两枚小型圆形金属贴片，下方有一层完整的金属层，这既稳固了辐射方向图，又对身体起到了屏蔽作用。每个贴片由下方的短同轴探针略微偏心馈电。这一简单的几何偏移，加上圆边的曲率，自然产生两分量电磁波：幅度相等但相差四分之一周期，从而无需额外开槽、切角或复杂馈电网络即可实现圆极化。

如何实现清晰且互不干扰的通信

两枚贴片仅相距数毫米，距离紧凑以适配可穿戴设备，但又足以使它们的近场不强烈重叠。仿真与测量结果表明，当一个端口工作时，另一贴片上的电流明显更弱，且每个贴片向空间发送的能量指向略有不同的方向并呈螺旋形分布。这带来低相关性的两个信号，对MIMO系统至关重要。在9.0至9.3吉赫的频带内，两个端口均与标准无线设备良好匹配，它们之间的相互作用低于破坏分集增益的水平，且圆极化保持稳定，因此当佩戴者转动手腕或在复杂室内环境中移动时，信号强度不会骤降。

保障佩戴者的安全

为验证安全性，研究人员将天线模型置于由皮肤、脂肪和肌肉构成的真实感三层数字手模型上，并计算组织吸收的功率。即便在工作频率下，峰值SAR在以一克和十克组织为平均时均远低于国际暴露限值。天线具有较强的前后比，表明大部分能量朝远离身体的方向发射，而金属背板与紧凑的几何形状限制了皮肤内的热点。这表明该天线可在实际可穿戴设备中支持连续或长时间使用而不超出监管阈值。

这对未来可穿戴设备意味着什么

在实际层面上，该研究为构建非常紧凑的天线提供了蓝图，这些天线仍能提供现代无线系统所需的可靠、方向容忍的链路和多通道能力，同时遵守安全标准。通过证明在X波段中小型化、圆极化、MIMO性能与低SAR可以在一个简单结构中共存，这项工作指向了未来的智能腕带、健康监测器乃至体积小巧的雷达传感器，这些设备既强大又佩戴舒适。

引用: 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

关键词: 可穿戴天线, X波段, 圆极化, MIMO, SAR安全