无线体域网中可穿戴天线和容性耦合人体通信研究

摘要

“智慧医疗”能够向用户提供实时健康监测、远程诊断和治疗、健康预测等个性化、智能化医疗服务，改变人们的健康管理方式，有效缓解医疗资源匮乏的现状，具有广阔的市场前景。通过由穿戴式或植入式传感器和便携式设备建立的短距离、低功耗、高可靠性的无线通信网络，无线体域网(WBAN)能够以非侵入的方式完成对人体重要生理指标的采集、处理和通信，并实时接收用户和医护人员的反馈。无线体域网是实现“智慧医疗”的关键，受到国内外研究学者越来越多的关注。 本论文围绕无线体域网展开，选取可穿戴天线和容性耦合人体通信(HBC)技术两个方面进行深入研究。首先，在小型化的基础上，针对可穿戴天线在圆极化、多频段、多功能和安全性等方面的需求和技术挑战，研究了贴片耦合馈电的圆极化激励方法、微带天线的对称缩减方法和基于叠层微带结构的双频段双模天线设计方法，成功研发了多款结构新颖、性能优异的可穿戴天线。其次，容性耦合HBC技术是一项新兴的以人体为传输媒介的非射频无线通信技术，具有传统射频无线通信技术难以比拟的损耗低、传输距离远、稳定性高、安全性高等优点，然而其研究面临着测试方案不统一、建模与仿真难度大、电路参数难以准确提取等突出问题，且缺乏系统性研究。针对上述难题本论文搭建了基于准真实应用场景的测试系统，并采用全波分析和等效电路模型方法对容性耦合HBC技术的工作原理、传输能力以及电极结构和环境的影响展开系统深入的研究。 本论文主要创新性研究成果概括如下: 1.充分考虑人体环境进行小型化圆极化可穿戴天线研究，创新性地提出了贴片耦合馈电的圆极化激励方法，克服了传统四端口正交移相馈电网络结构复杂的缺点，成功研制了一款平面型四臂倒L可穿戴天线，实现了小型化和低剖面的同时，保留了四臂螺旋天线波束宽和背向辐射低的优点。该天线电尺寸仅为0.19λ0×0.19λ0×0.04λ0，并在穿戴环境中充分考察了天线性能、比吸收率(SAR)和天线在离体通信链路中的通信能力。与已发表文献相比，所设计的天线具有突出的性能优势。 2.针对可穿戴天线的小型化和多频段需求，研究了微带天线的对称缩减方法，创新性地利用圆形微带天线的结构和模式对称性将天线面积缩减至原有面积的1/8，并采用开槽方式激励高频谐振模式，同时实现了天线小型化和双频段特性，具有结构简单、性能稳定等优点。 3.针对可穿戴天线研究中多频段、多功能的技术难点，提出了基于叠层微带结构的双频段双模天线设计方法，研究了通过开槽降低叠层贴片间耦合以保持叠层贴片不同的频率和方向图特性的关键技术，成功研制了一款新型双频段双模天线。该天线仅需要一个馈电端口，能同时产生边射方向图和垂直极化全向性方向图，满足离体通信和体表通信链路的不同需求，具有宽带、低剖面、全向性好和辐射特性稳定等优点。 4.在上述设计方法的基础上进一步提出了改进方案，利用谐振于单极型贴片模式的方形贴片偏心耦合馈电和中心短路的结构特点，降低了其与上层切角方形贴片间的耦合，同时实现了小型化，并采用同轴-微带过渡结构以降低穿着的不适感。所研制天线的电尺寸仅为0.18λ0×0.18λ0×0.04λ0，具有小型化、双频段、双模和双极化的优点，可以同时辐射圆极化边射方向图和垂直极化全向性方向图，并在离体通信和体表通信链路中评估了天线性能、SAR和通信能力，与已发表文献相比，具有突出的性能优势。 5.综合运用实验测试、数值仿真和等效电路模型方法对容性耦合HBC技术进行系统深入的研究。首先搭建了基于准真实应用场景的新型测试系统，并与传统测试方案进行对比验证，然后建立了完整的数值模型进行全波分析，研究了容性耦合HBC系统的路径增益、电场分布特性以及电极结构的影响。基于对电场分布特性的分析提出了等效电路模型，并充分考虑人体组织的影响采用有限元仿真准确提取了耦合电容参数值，最后研究了容性耦合HBC技术的通信能力，并探究了环境对传输特性的影响，解决了容性耦合HBC中测试系统搭建、建模与仿真、等效电路提出与参数提取等难题。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2无线体域网(WBAN)的发展和研究内容

1．2．1发展历程

1．2．2通信链路

1．2．3工作频段

1．2．4研究内容

1．3可穿戴天线研究需求与国内外研究现状

1．3．1研究需求

1．3．2国内外研究现状

1．4容性耦合人体通信(HBC)技术研究现状

1．4．1实验测试方法

1．4．2数值仿真方法

1．4．3等效电路模型

1．4．4理论分析

1．5本论文的主要研究工作

2可穿戴天线基本理论

2．1引言

2．2人体组织的电磁特性

2．3电磁波沿有耗媒质表面传播特性

2．4可穿戴天线研究方法

2．4．1设计特点

2．4．2人体建模与仿真

2．4．3穿戴环境中天线测试

2．5本章小结

3圆极化四臂倒L可穿戴天线研究

3．1引言

3．2四臂螺旋天线分析

3．3圆极化四臂倒L可穿戴天线设计

3．3．1天线结构

3．3．2工作原理分析

3．3．3参数分析

3．4穿戴环境中天线测试与分析

3．4．1自由空间中和三层组织模型上天线性能分析

3．4．2三维人体模型中天线性能分析和SAR评估

3．4．3传输链路分析

3．4．4天线性能比较

3．5本章小结

4小型化双频段可穿戴天线研究

4．1引言

4．2基于对称缩减技术的小型化双频段可穿戴天线设计

4．2．1对称缩减技术

4．2．2天线结构和设计

4．2．3参数分析

4．3小型化双频段天线测试

4．4本章小结

5双频段双模可穿戴天线研究

5．1引言

5．2双频段双模天线研究

5．2．1天线结构

5．2．2天线设计和工作原理分析

5．2．3天线测试和结果分析

5．3小型化双频段双模可穿戴天线研究

5．3．1天线结构

5．3．2天线设计和工作原理分析

5．3．3三层组织模型上天线性能分析

5．3．4三维体素模型中天线性能分析和SAR评估

5．3．5传输链路分析

5．3．6天线性能比较

5．4本章小结

6容性耦合人体通信(HBC)技术研究

6．1引言

6．2基于准真实应用场景的测试系统研究

6．2．1测试系统搭建

6．2．2电极输入阻抗测试与分析

6．2．3路径增益测试与分析

6．3数值建模与全波仿真结果分析

6．3．1完整的数值模型

6．3．2全波分析与电场分布特性研究

6．3．3电极结构对输入阻抗和路径增益的影响

6．4等效电路模型与参数提取

6．5容性耦合HBC通信能力研究

6．6环境对容性耦合HBC的影响

6．7本章小结

7结束语

致谢

参考文献

附录