一种用于体上应用的小型超宽带天线外文翻译资料

一种用于体上应用的小型超宽带天线

Nacer Chahat，学生成员，IEEE；Maxim Zhadobov，成员，IEEE；

Ronan Sauleau，高级成员，IEEE；Koichi Ito，研究员，IEEE

摘要：本文提出了一种用于体上通信的新型小型平面超宽带天线。在自由空间中，该天线分别被运用在同质体模上建立的人的手臂模型和一个现实的高分辨率全身体素模型上。在所有的结构中，它展示了非常令人满意的体上传播特性。文中给出了回波损耗、辐射方向图、效率和㼿场分布的计算结果。该天线在3-11.2 GHz范围内表现出很好的性能，有望成功应用于3.1-10.6GHz的脉冲超宽带系统。回波损耗和辐射方向图的模拟结果与实测值吻合较好。最后，对脉冲无线电应用进行了全体体素模型的时域分析，并对多个天线放置在人体上的传输场景进行了分析和比较。

索引术语：人体区域网络（BAN）、人体中心无线通信、紧凑型天线、印刷天线、超宽带（UWB）天线。

Ⅰ、介绍

人体区域网络(BAN)是一种无线通信系统，可以实现可穿戴设备和植入人体电子设备之间的通信。这些系统对于各种各样的应用，包括体育、多媒体、医疗保健和军事应用都有很大的价值。超宽带(UWB)天线被认为是一种很有前途的人体区域网络解决方案。在3.1-10.6 GHz频段的超宽带系统的主要优势之一是其高数据速率传输能力(通常为100 Mbps)和低功率谱密度(41.3 dBm/MHz)，从而确保与其他窄带无线设备的低干扰。

为超宽带体上通信设计天线是一项具有挑战性的任务，因为天线需要满足几个基本要求，例如：(1)优化的特性-频率和时域；(2)小尺寸和低剖面；(3)良好的体上传播。事实上，频域和时域的响应以及与人体的相互作用都应该被考虑和表征，由于人体的存在和组织中的功率损耗而导致的天线性能的变化也应该仔细考虑到。此外，超宽带天线的小型化对于可穿戴应用尤为重要。为了减小辐射结构的尺寸，研究者们已经进行了大量的研究工作，并提出了一些有趣的小型化技术。

最后，对于体上应用，天线需要显示出合适的体上传播特性。然而，在大多数以人体为中心的通信场景中，全向平面天线与人体平行放置，因此，这些天线的效率显著降低，在身体传播方面也不理想。事实上，这种配置更适合于体外通信，即安装在基站和遥控设备基站上的天线之间的通信，这在引入具有体外通信高潜力的纺织天线的几项研究中得到了证明。结果表明，天线的场极化必须与物体表面垂直，而不是物体传播，论证了四分之一波长单极子天线适合于体上通信，其原因如下：(1)它具有沿体表最大辐射的全向模式；(2)电场垂直于人体表面。此外，对两种不同的超宽带天线进行了比较，结果表明，具有全向单极子模式的平面倒锥天线（PICA）在体上通信方面表现出非常好的性能。不过，四分之一波长单极子天线和平面倒锥天线具有相对较大的地平面和高度。

电场垂直于体表面极化，为了克服这个问题，我们在这里介绍一种适合于体上通信的缩小尺寸的超宽带天线。本文的结构如下：第一节对本文的研究重点--超宽带体上通信天线做一个大体的介绍；第二节讲解了用于数值和实验表征的天线设计和三分之二肌肉等效体模；第三节给出了该天线的主要特性，即反射系数、辐射方向图和效率，利用该模型得到的实验结果与计算结果进行比较。此外，还用数值方法研究了均匀臂模型和体素体模周围的电子场分布，以研究体上的传播；在第四节中分析了天线的时域性能，数值研究了放置在天线上的几根天线之间的传输特性，讨论了调制方式对体上系统性能的影响。所有计算均采用CST微波演播室实现的有限积分技术进行；最后，第五节对本文的研究成果做出归纳总结。

Ⅱ、实验模型

A.天线设计

本小节设计和制造了一种适用于超宽带体上应用的天线，它由一个紧凑的微带馈电印刷单极子（）组成，印刷在1.6毫米厚的AR350基板（）上。在本研究中，天线的性能评估和优化的配置如下：(1)天线位于具有三分之二肌肉等效介电性能的均匀体模上；(2)天线安装在高分辨率非均匀人体模型上（第III-C、III-E和IV节）。

据我们所知，最小的超宽带天线有一个显著的高度（约17毫米），因此可能不适合垂直配置（垂直于身体的电场）。在这里，地平面尺寸和散热器高度分别减少了8毫米和7毫米，导致天线的总高度只有10毫米。这一选择使我们能够将天线性能中的失真与原始设计相比降到最低。这种尺寸的减小导致电流路径的显著减小，从而导致频带下限的增大。为了降低低频，一种解决方案是延长总槽长（图1（a）中的白色虚线）。这个狭缝长度的影响如图2所示，我们比较了三种狭缝长度6.9 毫米、11.9 毫米和16.4 毫米的反射系数，可以看到选择长槽可以稍微扩大-10分贝的返回损耗带宽，并覆盖整个超宽带频率范围（图2中的实线）。

作为一种可穿戴天线，天线地平面自动变小，以使得天线高度最小化。地平面尺寸对反射系数的影响如图3所示。虽然在4~10GHz左右略有下降，但对于较大的地平面尺寸，在这两个频率之间保持在-10分贝以下。此外，天线尺寸减小（特别是小的接地板）影响交叉极化分量和峰值增益（表1）。然而，沿着体表（即和）时，交叉极化率保持在-10分贝以下。

B.体模

人体手臂被建模为三分之二的肌肉等效体模，天线位于上方1毫米处[图1（b）和图4]。这个体模有平行六面体的形状（）。我们选择了一个基于水的半固体模体作为超宽带天线测量的组织等效模型，使用聚乙烯粉末和氯化钠分别调节膜的复介电常数和导电性，琼脂用于保持幻肢的形状，叠氮化钠作为防腐剂，TX-151改善了幻肢的粘性。

Ⅲ、频域分析

在本节中，体模的介电性能在3-11 GHz范围内提供，然后给出了天线回波损耗和辐射方向图的计算和实测结果，最后，计算了手臂和人体模型的场分布。

A.超宽带波段的数值模型和介电特性

为了在有体模存在的情况下精确地模拟天线，应在3.1-10.6GHz范围内仔细测定体模的介电性能，三分之二的肌肉介电常数被用作模型的目标值。肌肉的介电特性在高达20GHz的范围内得到了很好的表征。在数值模拟中，体模的复介电常数用德拜色散方程表示：

其中是角频率，是静态介电常数，是光学介电常数，是弛豫时间，当，和时，获得了该理论模型与目标值的最佳拟合。理论介电常数和导电率模型与所考虑的频率范围（3-11 GHz）内的目标值非常吻合，从而确认德拜模型的选择是适当的（图5）。体模已按照第II-B节所述制造，并使用电介质特征探测装备85070E（安捷伦科技公司，CA）进行了表征，测得的复介电常数与数值结果符合得很好（图5）。

B.馈电接头的反射系数和冲击

假设天线在自由空间或在臂上，所提出的超宽带天线的反射系数如图6所示。在这里，数值模型没有考虑馈电连接器。这些结果表明在3-11.3GHz范围内，受体模存在的影响非常小，保持在-10分贝以下。制作的原型由一个微型同轴探针连接器（BL58-3123-00，日本东方微波公司）提供，安装在模体上的天线的反射系数在图7中表示，与模拟结果（考虑到此时的馈送连接器）的一致性非常令人满意。-10分贝的回波损耗带宽几乎覆盖了整个3.1-10.6GHz的超宽带频率范围。

C.辐射模式

在3个频率点（4、7和10GHz）上计算了平面和平面上的天线辐射方向图，这3个频率点分别是：单独的天线、体模上的天线和全身模型上的天线（来自虚拟家庭的杜克模型，杜克代表一名34岁、174厘米高、体重70公斤的成年人）。与自由空间方案相比，安装在体模上的天线具有更好的前后比，这本质上与体模的吸收和反射有关。此外，与使用三分之二肌肉等效体模在x-y平面和x-z平面上4-10GHz频率范围之间的测量结果进行比较，证实了实验结果与数值结果之间非常匹配。天线增益的平均值和峰值如表2所示，正如在其他研究中已经提到的，这些数据证实了由于体模的存在会导致x-z平面增益降低。而在x-y平面，在吸收较大的4GHz处增益减小，在7GHz和10GHZ处由于手臂模型的反射使得增益增大。

D.辐射效率

在4、7和10GHz的均匀体模上，估计辐射效率分别为19.1%、38.2%和28.4%。正如预期的那样，由于天线和体模之间的间隙设置为1毫米，辐射效率相当低，这与天线安装在衣服上的实际情况相对应。然而，如表1所示，使用较大的地平面尺寸可以提高天线效率。

E.计算的电场分布

为了估计所提出的天线可能的应用场景范围，重要的是考虑体内、体内和周围的电磁场分布。图9表示出了4、7和10GHz下在手臂模型的横截面[图1（b）中的x-y平面]中计算出的电场分布。必须强调的是，在这种配置中，是主导分量，这意味着对整体电场的主要贡献来自于垂直于模型上部的分量。基于这些结果，可以进行几个观察：(1)电磁场沿着模型表面传播，并且如预期的那样，非线性衰减；(2)在考虑的频率范围内，较高的频率对应于更局部的能量吸收。

图10使用杜克模型分析了物体周围的场传播（空间分辨率为）。天线安装在左臂上，电场的大部分也被限制在左臂上。图10表示出电磁场沿左臂向两个方向传播，并且由于人体起着关键作用，源侧的电场比对侧强得多（衰减至少为70分贝）。因此，在这种结构中，位于身体两侧的天线之间的通信可能是困难的。然而，手/头或手/脚之间的无线电连接是完全可以实现的，并且在第四节中研究了这种通信场景的时域行为。

Ⅳ、身体周围的传播

A.时域分析

超宽带系统可以是传统的基于脉冲的系统，发送占用整个超宽带带宽的每个脉冲，也可以是WiMedia采用的载波系统，例如多频带正交频分复用（MB-OFDM）。时域分析对于评估脉冲无线电系统（IR-UWB）中超宽带天线的性能具有重要意义。超宽带天线在纳秒脉冲激励下表现为脉冲形成滤波器，因此，一个适合于超宽带通信的天线必须在时域内表现出最小的脉冲失真，以减少接收机终端检测机制的复杂性。接收到的脉冲的质量如下：

其中，源脉冲和接收脉冲按各自的能量归一化。此处选择的源脉冲信号是满足FCC功率掩模的五阶导数高斯脉冲，即：

其中和分别表示高斯脉冲的振幅和扩展。

在数值模拟中，使用距离天线50厘米的三个探头对输出信号进行三个方向[，，]的监测。每个探头接收到的脉冲如图13(a)所示。它们的保真度非常好，A、B和C探头的保真度分别为98.8%、98.3%和95.2%。

除此之外，我们对体上传播也进行了类似的研究。为此，考虑了四个天线之间的三种传输方案：发射天线安装在左手腕（TX1），三个接收天线放置在左臂（RX1）、左耳（RX2）和左腿（RX3）（图14）。接收脉冲的失真（图15）取决于天线位置，对于RX1、RX2和RX3，它们的保真度分别为75%、46%和81%。在头部的天线上可以观察到最明显的失真，这表明在这种情况下的直接通信可能是微妙的。

从这些结果可以清楚地看出，脉冲在身体上经历了强烈的扭曲。信号保真度可能非常低（例如，RX2为46%），因此需要实现适当的调制方案。例如，在这种情况下，传输信号有很强的失真，所以二进制相移键控（BPSK）是不合适的。

然而，在脉冲超宽带系统中，脉冲位置调制(PPM)和开关键控(OOK)是极好的体上通信候选调制方案。这两种调制方案可以用非相干接收机来实现，使用的是能量检测机制，而不是相干系统的相关。在非相干接收机中，脉冲形状是次要的，并且可以克服低保真度的问题。我们的注意力集中在使用整个超宽带的脉冲超宽带系统上。然而，这些调制方案也可以用作多频带方案。

B.体上传播

由于非相干接收机是首选的，因此需要研究其路径损耗。图16给出了安装在具有两个不同地平面高度的同质体模上的天线的路径损耗。对于每个距离，每个点表示一个频率点的路径损耗结果。具有10毫米高的地平面的天线具有更好的体上传播性能，使用更大的地平面将路径损耗提高了7分贝，而这两种天线模型之间的交叉极化分量基本相同。然而，更大的地平面提高了天线的效率(表1)，但路径损耗却因此变得更高。

表3给出了这种体上场景的传播路径损耗，给出了所有接收天线在3.1-10.6GHz 超宽带频段内的平均路径增益和变异性。臂间链路最短，损耗较低，平均损耗为53.9分贝，在整个超宽带频段内峰值至峰值的变化约为32.9分贝。从腕到头的链路平均损耗较高(这主要是由于链路长度较长)，其路径损耗变异性估计在34.4分贝左右。在腕与小腿之间的链接中，平均损失为60.5分贝，并且与其他链路相比，变化性要低得多。

Ⅴ、结论

本文设计了一种用于体上通信的小型平面超宽带单极子天线，该天线具有良好的阻抗匹配和良好的体上传播特性。结果表明，尽管天线和天线体之间的距离很小，但后者对天线输入匹配没有显著影响。本次设计采用三分之二的肌肉均匀体模成功地测量了反射系数和辐射模式，对一个真实的全身模型周围的电场分布进行了不同频率的计算，突出了适合于人体传播的特征。

与平行结构相比，垂线具有更高的增益，更好的体上传播，对天线阻抗性能的影响较小。在一个真实的人体模型上，对天线的时域特性进行了充分的研究。已经观察到明显的脉冲畸变，因此建议采用非相干调制进行体间通信。因此，对于脉冲超宽带系统，脉冲位置调制和开关键控是很好的体上场景解决方案。最后，在特定的传输场景下，将多个天线放置在物体上，得到了很好的路径增益结果。

感谢

作者要感谢伊藤教授和高桥实验室（千叶大学，千叶，日本）的所有成员，特别是斋藤教授、巴萨里教授、N.Haga教授和渡边教授，感谢他们在测量方面给予的友好帮助。

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