无线体域网中可穿戴天线和容性耦合人体通信研究

发布时间：2020-07-03 23:31

【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z1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。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92
【图文】：

医疗系统,基本架构,新兴技术,设备

无线体域网（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｂｏｄｙ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＷＢＡＮ）是通过穿戴于体表或植入于体内的逡逑传感器和便携式设备建立的用于医疗、消费电子和个人娱乐等领域中的短距离、低功耗、逡逑高可靠性无线通信网络Ｗ。当前ＷＢＡＮ技术最主要的应用领域是医疗健康服务，图１．１给逡逑出了基于ＷＢＡＮ的医疗系统的基本架构［４］，主要包含三个层次：逡逑（１）第一层为ＷＢＡＮ，用于实现分布于用户身体表面或体内的具有特定功能的传感器逡逑节点和设备间的互联。在这一层中，传感器将采集到的用户的各项生理指标发送到汇聚逡逑节点或便携式设备。通常，ＷＢＡＮ能覆盖人体附近２米左右范围。逡逑Ｐ）第二层主要用于在第一层中的汇聚节点或便携式设备和外部网络之间建立无线逡逑通信，从而在更大范围内实现数据传输和信息共享，接入方式可以通过无线网络和移动逡逑网络等。经过第二层，该医疗系统的覆盖范围可以扩展至上百米。逡逑（３）第三层包括通过互联网连接的提供各种应用服务的远程服务器、医护人员、医院逡逑和救护设备。逡逑１逡逑

工作频段,链路,节点,示意图

ＷＢＡＮ中的体内节点都属于普通节点，而体表节点中功能较强大的部分节点可以充当汇逡逑聚节点。逡逑如图１．２所示，ＷＢＡＮ中通信链路按照节点的位置可以分为三类：逡逑（１）

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