可穿戴小,窄带高效、紧凑的正形,低调Metasurface医疗设备的天线

文摘

在这个研究,我建议一个紧凑的正形可穿戴天线工作在2.36 - -2.4 GHz医学局域网乐队。天线是实现通过安装一个高度截断metasurface,仅2 2组Ishaped成分组成的,在一个平面单极子。矛盾描述以前人工磁场进行地平面天线计划的支持下,在这项研究中,孤立的metasurface充当一个地平面,以及校长散热器。天线样机制造和检验,说明一个强大的模拟和测量之间的妥协。比较以前建议的可穿戴天线,验证天线有一个紧凑的形式因素0.5λ0,0.3λ0 0.28λ0同时实现5.5%的阻抗带宽,增益为6.2 dBi和前后的比率超过23分贝。数值和实验分析表明,天线的行为是极其强大的结构畸变和人体负荷,更好的平面单极子和微带贴片天线。此外,介绍了金属支持metasurface让特定的吸收速率下降了95.3%,生产此类天线的主要候选人建立成许多可穿戴设备。

关键字

可穿戴传感器天线,身体交流,医疗监测系统

介绍

提示进展的身体区域网络(禁止)考虑1,2)生成的繁荣主要研究在过去的十年里,因为他们鼓励应用在多个领域,包括健康监测、病人跟踪、可穿戴计算、战场生存,等等。

可穿戴天线工作接近人体,负载效应由于有损组织的计划使高辐射功效另外时天线具有挑战性。它需要较低体重和低调的性质(1,3]。与此同时,这样的可穿戴天线对人体组织的影响还需要转发,如特定吸收率(SAR)提供的峰值。到目前为止,很多形式已经检查了他们的适当性可穿戴天线,包括垂直磁单极子(3- - - - - -5),平面微带单极子(6,7),不同inverted-F天线(8- - - - - -10[],微带贴片天线11[],背腔槽天线12,13),反射片散热器(14),和人工磁场进行(AMC)表面支持天线15,16]。单极子(3- - - - - -5和inverted-F天线4不过体内通信)是有价值的,他们从身体膨胀,因此没有正形。平面单极子天线(6,7和一些平面inverted-F天线8- - - - - -10有一个小的足迹;但是,大量的能源被转发到人体由于near-omnidirectional辐射特性。微带贴片天线(11和背腔槽天线12)受到外部机构通信由于其较宽的辐射模式,但他们表达从前端到后端的窄带宽和地平面大小依赖(神奇动物)比率。衬底集成波导可以减少槽天线的配置(13,14),然而,他们仍然有很大的横向尺寸。在[15,16),各向同性AMC地面飞机被用来提供一个天线之间的隔离度和人体组织为标志的同时保持相当小的整体形状。但他们仍然经历几乎占用大量的空间,由于弯曲频率变化,和/或低FB比率。

本文着重于窄带高效,低调,和小形式因素,此外,我将报告,组织结构的影响的计划当另外功效高辐射天线具有挑战性。它需要较低体重和低调的性质(1,3]。与此同时,这样的可穿戴天线对人体组织的影响还需要转发,如特定吸收率(SAR)提供的峰值。到目前为止,很多形式已经检查了他们的适当性可穿戴天线,包括垂直磁单极子(3- - - - - -5),平面微带单极子(6,[7],不同inverted-F天线8- - - - - -10[],微带贴片天线11[],背腔槽天线12,13),反射片散热器(14),和人工磁场进行(AMC)表面支持天线15,16]。单极子(3- - - - - -5和inverted-F天线4不过体内通信)是有价值的,他们从身体膨胀,因此没有正形。平面单极子天线(6,7和一些平面inverted-F天线8- - - - - -10有一个小的足迹;但是,大量的能源被转发到人体由于near-omnidirectional辐射特性。微带贴片天线(11和背腔槽天线12)受到外部机构通信由于其较宽的辐射模式,但他们表达从前端到后端的窄带宽和地平面大小依赖(神奇动物)比率。衬底集成波导可以减少槽天线的配置(13),然而,他们仍然有很大的横向尺寸。在[15,16),各向同性AMC地面飞机被用来提供一个天线之间的隔离度和人体组织为标志的同时保持相当小的整体形状。,但他们仍然经历变形和人体加载的行动建议天线相比,共形天线的设计主要是为off-body通信。我建议和实验完成重量轻正形可穿戴天线紧凑的足迹和低调的医疗身体域网络的乐队。首先,我介绍了计划方法和调查metasurface的性能和最终的集成天线。辐射机制是通过计算远场模式的应用实现统一的几何绕射理论(GTD)报道,有限metasurface不仅是反映了地平面,也作为主要的散热器。这个建议天线使更紧凑的天线足迹有更好的成就。我将捏造的实验结果得到了天线的原型,在协议仿真预测。传统的平面单极天线和微带贴片天线。数值模拟和实验的行为特征显示,建议天线是非常有效的对弯曲和人体加载。也证明了包容的metasurface大大降低了峰值SAR值。

材料和方法

天线设计

天线的形状和Metasurface计划:的平面形状metasurface-permit正形天线中说明了图1 a-1c。

它由2成分隔开一个薄泡沫spacer-a平面单极子的优势和劣势characteristic-planed高度截断各向异性metasurface金属板的支持。优越的平面单极子是由一个微带而metasurface层包括2 2工字形的组件的数组。磁单极子位于平行于长轴工字形的组件的一个有价值的激励。计划过程的第一步,几何测量的各向异性metasurface首次调给零反思阶段在2.5 GHz。因为一个线性极化磁单极子是利用供应商,metasurface层计划,因为它只有一个共振响应的方向平行于磁单极子的方向,即。在x方向上。工字形的安排被选中是因为它的结构各向异性特点,使一个强大的LC共振通过正交方向的方向上,同时保留一个紧凑的大小通过桠溪(17,18]。metasurface时被一个平面波垂直入射方向与电场极化中说明了其有效适当的电路模型图2一个。上级的一部分图2 b插图的反思阶段工字形的数组在金属表的支持下,演示了一个接近于零的反射相位在2.49 GHz而AMC乐队可以建立。使用等效电路的反射相位测量获得的同意与类似的全波仿真。规范化的最大磁场Ishaped补丁作为频率的函数所示图2 b,表达高峰在2.48 GHz类似零反射相位,频率,即。,磁共振乐队19,20.]。

集成天线的工作:一旦金属板metasurface计划的支持下,面向宽带单极加入,在远处d2 metasurface上面。磁单极子的位置相对于metasurface,调节天线之间的耦合和metasurface和磁单极子的几何尺寸进行了优化获得最佳阻抗匹配,高增益和高FB比率的目标乐队。结果集成天线的总高度只有0.028λ₀和0.15λ的足迹₀₂比之前明显较小的报道,可穿戴天线在2.4 GHz的频率。模拟磁单极子和集成天线的阻抗表现自由空间所示图3一和3 b,分别。

磁单极子仅仅有一个可怜的阻抗匹配的医疗身体域网络乐队,表达S11 6分贝以上。此外,磁单极子位于距离2.5毫米优于连续金属地面飞机模拟,说明极其可怜的阻抗行为在整个乐队。在矛盾中,当加入的金属板各向异性metasurface支持,良好的阻抗匹配是获得S11小于-10 dB从2.32到2.43 GHz,即。,大约4.7%的带宽。之前的大多数说明集成可穿戴天线由一个散热器由AMC地平面有一个操作乐队在零反射相位频率的AMC地平面16,21]。另一方面,建议的操作频带天线周围反射相位的频率范围是+ 90°,即。,它充当一个感应表面(22- - - - - -24]。磁单极子仅是工作频率少的基本谐振模式,它的输入阻抗是电容。因此,当加载单极感应阻抗表面的商店更多的磁能,电抗的集成天线可以被抑制,因此实现良好的阻抗匹配。此外,这印证了之前关于这一主题的理论研究[22]。这些结果显示,设计一个适当的金属薄板metasurface支持,即使有大幅截断范围在水平平面,可以产生显著改善小型天线的阻抗匹配。此外,这个概念可以应用于许多其他类型的平面和线磁单极子和偶极子天线。磁单极子只在自由空间在其E-plane dipole-like模式和一个全向模式在其h平面(图4一和4 b)。

集成天线,相反,大多数的能量辐射向+ Z半半功率波束宽度(HPBW)对81年和102年的E-plane和h面,分别是(图4 c和4 d)。无关紧要的背叶证明能量太少会辐射到人体组织时,天线位于。这个角色有助于降低SAR值,使天线加载的影响人体更有效,这两个是可穿戴程序想要的属性。应该认为,尽管facebook比和SAR特性与不同天线的“辐射区”,他们在某种程度上都是相互关联的,因为SAR和集成天线的辐射都是结果在地平面的边缘绕射波。磁单极子只获得模拟约2 dBi而集成天线有侧向的模拟峰值增益约6.2 dBi在感兴趣的频段,如图所示图5一个。

尽管磁单极子相同磁场强度的前部(+ Z)和后部(- Z)的方向,综合metasurface-enabled天线模拟FB比率大于29分贝,提出图5 b。这个好处是远远高于以前展示了天线由人造地平面,尤其是实现0.15λ的紧凑的足迹₀₂。尤其是FB比率约16分贝实现天线足迹约1λ₀₂(16,21,23,24]。最后,它是价值的考虑由此产生的有利角覆盖集成天线。这样的集成天线的辐射特性是重要的外部机构可穿戴设备之间的通信和远程基站。为了更好的比较,参考补丁天线,已广泛用于可穿戴程序,另外计划在2.38 GHz使用微带馈电产生共鸣。它有一个相同的形式因素的metasurface-enabled天线。见图3 - 5贴片天线显示,S11 < -10 dB乐队从2.33到2.40 GHz,即。,约2.9%的带宽和较宽的增益为5.9 dBi。淡水河谷,FB比率只有11分贝,这是很重要的,也就是说。~ 15分贝,低于建议的天线。

集成天线的辐射机理:实现这种集成的metasurfaceenabled天线的辐射机理,2.38 GHz的字段是策划,如所示图6。

电气工作主要是集中在边缘的平面单极子和电容之间的差距沿着方向工字形的补丁。磁单极子可以被看作是一个电流源。其辐射大大抑制放置接近地平面。然而,地平面之间的空间和末端的工字形的补丁±方向作为槽天线,可以视为磁电流源。他们有能力精确辐射即使在靠近地平面,根据图像理论(25]。因此,与之前计划的金属支持metasurface只能作为一个高阻抗AMC反射器(15,16,23,24),definite-sized metasurface建议在我的设计作品作为主要的散热器。更具体地说,天线作为转换位置数组大小逐渐减少,导致一个非常高的FB比率时考虑其整体足迹的密实度。

为了证实这一点,我们测量的辐射安排3制服数组相同的磁电流密度(M M→1 (M2)→→3)放置在y方向上无限和一个明确的大小的地平面见图6。中央元素有双电源的磁电流源。GTD技术(26)是用来解释明确的地平面的边缘衍射。E-plane (X - Z平面),总远场辐射安排结果直接叠加的几何光学(去)字段生成的每个3磁电流源(27]。获得更高的精确结果,两次衍射领域被认为是。在h平面(- z -平面),导致远场贡献直接从每个字段都是一样的磁流源。而不是零的贡献1^圣阶衍射结果电场消失的外围,y =±Gy / 2,斜率衍射是占26]。backlobe地区的h面,E-plane边缘衍射的贡献是获得了利用等效边缘电流技术讨论(27]。

来证明这个设计,我建议全波模拟执行天线无限地平面和一个明确的地平面的大小2λ₀2λ₀和比较分析获得的结果与公式(图6 b)。磁电流源阵列的几何测量模型解决实际几何尺寸的建议综合metasurface-enabled天线。它可以发现在E-plane和h面,取得了良好的接受对地面大小。因为这个设计不带的辐射场电流磁单极子,可以找到小偏差之间的简化分析模型和全波模拟的实际集成天线,特别是在角地区附近E-plane第一个零。然而,总体良好的通信验证集成天线的辐射主要来源于人造金属表支持metasurface而非磁单极子的辐射成像来源主要是取消了。这项研究表明,除了作为一个高阻抗反射器天线,metasurface字符可以被利用作为主要的散热器天线系统同时生产天线时的隔离功能放在非常靠近另一个对象,例如,人类的身体。这是明显不同于之前的大多数报道AMC天线支持计划,依靠大型metasurfaces(> 2λ₀2λ₀)工作同相反射高增益和低FB比15,22- - - - - -24,28- - - - - -30.]。

本研究通过卓越的建议天线贴片天线。目前贴片天线的辐射槽的边缘附近放置地面飞机,导致明显的衍射的字段。然而,建议天线最强大的散热槽放置在地平面的中心,随着锥形振幅数组的形状,导致一个大大减少辐射。这项工作进一步说明作为一个高阻抗反射器天线,另外可以劳累metasurface特点,它作为天线的主要散热系统,同时给予高度隔离的位置非常接近另一个对象时,例如,人类的身体。

结果与讨论

metasurface和磁单极子是1^圣分别利用标准生产的PCB板蚀刻。泡沫垫片的厚度定义是在两个组件之间的补充(图7和7 b)。

一个安捷伦E8364B网络分析仪是用于描述磁单极子和集成的S11 metasurfaceenabled天线在自由空间。见图3一和3 b模拟和测量之间的可接受的协议可能会导致10 dB的带宽以及共振位置。测量S11 metasurface-enabled天线有5.5%的-10分贝带宽不同从2.30到2.43 GHz,这比仿真预测略宽,因为太小质量下降的因素。品质因数下降主要是由于造成的损失上升电阻焊生产原型。

磁单极子和归一化辐射装置的集成天线被描述在消声室自动天线运动平台。见图4,计算辐射安排E-plane和h面承认与模拟结果,建立了预测的态度建议天线计划。磁单极子独自一人在自由空间dipole-like安排,而集成天线给单向辐射与宽角覆盖+ Z半球排除人体在一个可穿戴的配置。E-plane,集成天线的计算HPBW达到89°,稍微超出模拟值。强势回叶也注意到主要是因为制造缺陷。h平面,计算HPBW好协议,由仿真101°。在两个平面,计算交叉极化水平低于-20分贝向四面八方扩散。计算增益和FB比率在乐队感兴趣的绘制图5一个和5 b。计算2单极子和集成天线增益参数比模拟结果略小,不过差别小于0.4分贝。集成天线实现获得超过5.85 dBi在乐队从2.30到2.43 GHz的S11低于-10分贝。计算FB比率说明价值超过23分贝在同一个乐队。尽管facebook一个比一个差几分贝之间注意测量和模拟,绝对权力的区别是小于1%。记住,集成天线有强烈截断地平面,几乎一样大小,确定各向异性metasurface FB高比率达到至关重要的有效辐射天线对人体表面。

结构变形的影响

在医学应用中,可穿戴天线需要变形成为适合人体的配置。研究人体负载效应之前,我们1日调查天线法在不同程度的结构变形在自由的空间,在一个参数“Rα”是用来表示天线的弯曲半径。见图8和8 b,集成天线与4种不同曲率半径值进行了调查,包括Rα= 15、20、30、40 (mm)。

参考贴片天线具有相同弯曲半径值也比较的模拟。选中的曲率半径的值是正确的表征不同大小的人类的武器。图9 a-9c说明模拟S11,天线的增益,facebook比4的弯曲半径值。

我们可以意识到,2集成天线以及补丁,共振频率,即。,the lowest point in S11 is well preserved with a frequency shift less than 10 MHz, which is approximately nil. Furthermore, as the radius of the bending curvature decreases, the -10 dB impedance bandwidth becomes broader. Especially for the integrated antenna case, this band increases from 2.33-2.43 GHz when Rα=40 mm to 2.31-2.45 GHz when Rα=15 mm. It belongs to the reduction in the quality factor of the radiating TMZ100 modes of both the metasurface as well as the patch [31日]。这也提出集成天线的辐射场导致主要由metasurface和地面之间的槽平面。然而,即使在near-extreme变形Rα= 15毫米,2天线能够覆盖一个合理的带宽约为70 MHz。

畸形的集成天线的辐射特性进行观测,但仍相当微不足道,随曲率半径变化。作为图9 b所示,增益减少0.8 dB由于能源泄漏角范围较宽。这进一步导致周围的FB的比率下降9 dB,如图所示图9 c。相比之下,贴片天线具有低辐射性能弯曲时,收益率上涨约4.7 dBi和明显退化FB的比例只有5.3 dB当Rα= 15毫米。演示仿真研究集成天线原型是弯曲的曲率的圆柱形物体的周围约40毫米和验证(如所示图8 b)。计算结果和仿真预测之间的整体验收同意了。-10分贝阻抗带宽略窄但没有可观察到的频率变化。计算增益和FB比附近的0.5和2 dB较小比模拟参数,分别,因为制造精度和较理想的均匀性的弯曲半径通过天线的结构,以防变形。,集成天线已经验证的行为有很强的结构变形与许多之前报道计划相比,相当多的乐队转移和增益下降被注意到14,32]。

人体负荷的影响

我检查的影响人体综合metasurface-enabled天线加载。我利用全波模拟平面单极子,集成天线,参考补丁天线进行比较。圆筒形多层人体组织模型的外半径40毫米被选来模仿人类的上肢,由四层分别代表皮肤、浅筋膜、肌肉、和骨组织图10 a-10c所示。

对于每一个层,典型的介电常数、电导率、厚度、和质量密度值报告在文献中被分配,作为中列出表1(33]。

表1。多层材料特性的人体组织模型。

天线和组织模型之间的长度是我全波数值实验中不同的认识到如何提出金属板支持metasurface减轻了人体的负载效应。作为图11说明了集成天线有一个强大的输入阻抗,即使在情况下的位置非常接近(例如,dα= 1毫米)多层组织模型。带宽展宽注意到而Rα= 40毫米案例中描述图9,显示-10分贝带宽扩展从-2.43 GHz的2.33 2.31 -2.47 GHz,因为品质因数降低散热器由于有损组织模型的加载(1,16]。

类似的效果可以被注意到的阻抗行为参考补丁,它有一个类似于集成天线辐射机制。在矛盾,磁单极子的阻抗行为展示对天线之间的长度和组织模型,说明了一个非常广泛的阻抗匹配带宽。但是,正如可以说明了图11大大减少,磁单极子的结果从自由空间2 dBi 8 ~ 4 dBi变得非常接近多层组织模型,证明大部分的输入功率是在天线近场由皮肤吸收和浅筋膜层组织和分散的热量。在矛盾中,集成天线有很稳定的收益,只有从5.9减少到5.8 dBi的乐队感兴趣,而贴片天线的增益小得多,经历了一个稍微严重减少dBi从4.5到3.8。这表明存在的metal-backed metasurface,天线能够保持良好的阻抗匹配和位于不同距离时效率高,特别是在太靠近人体组织模型。磁单极子和建议的天线,FB比率几乎是固定的,当改变天线位置相对于人体组织模型,比1.5 dB与差异较小,而更多不同FB比率,即。可以注意到,大约2 dB,补丁天线。证明电源集成元Surface-enabled天线的阻抗特性,实验与天线进行了人体的各个部分。见图12,维护一个非常稳定的S11天线直接放在一只手臂,胸部和腿部。

类似于我们已经注意到在数值模拟,为天线臂上例所示图12 b和12 c的-10分贝带宽综合metasurface-enabled天线从2.30 -2.43 GHz自由空间扩大到约2.32 -2.46 GHz,相对应的全波预测。

特定吸收率(SAR)分析

SAR是一个标准的衡量通常用来评估电磁能量在人体组织的吸收。同意指定由FCC, SAR值必须不超过1.6 W / kg平均超过1克的组织。SAR值属于适应输入功率

电场在V / m和p的质量密度组织公斤/米³。作为基准,100兆瓦电力的天线选择同意调查和相关磁单极子的搜救行动,提出集成天线贴片天线和参考。作为图12所示,研究了输入功率,磁单极子提供了最大平均1 g SAR值16.8 W / kg左右的因为它的全向辐射特性。

即使在5毫米的距离离组织模型,磁单极子遇到最大平均1 g SAR值高达11.3 W / kg,如图所示表2。

表2。磁单极子的最大平均1 g SAR值,综合metasurface-enabled天线,参考补丁天线在不同距离的组织模型(单位:W /公斤)。

参考贴片天线的情况下,一个相当大的减少最大平均1 g SAR, 3.98 W / kg左右,可以观察到由于坚实的地平面的存在。与金属表支持metasurface包括进一步减少注意到在最大平均1 g SAR value-dropping甚至0.66 W / kg的集成metasurface-enabled天线只有1毫米离开组织。除了一个事实,即天线加载特点是强大的组织,有95.3%和83.4%平均减少1 g SAR相比,平面单极子和贴片天线,分别实现集成天线工作的优越性十分接近人体。3天线的最大允许输入功率水平与不同的价值观dα说明表3。

表3。最大允许输入功率水平磁单极子,metasurface-enabled天线和集成,参考补丁天线在各种距离(单位:兆瓦)的组织模型。

衬底材料特性变化的影响

与实际考虑,可穿戴天线可能会接触到不同类型的环境很长一段时间。这可能导致天线基板材料特性的变化,例如,介电常数,这可能会影响到活动的可穿戴天线1]。测试的建议计划,介绍了±5%的变异在天线基础材料的介电常数,由于可能的湿度和温度变化的影响。图11说明了S11,天线的增益,facebook比含有多层人体组织模型图10 b。阻抗的一些频移发展乐队的衬底介电常数预测共振频率不过三个天线的S11价值仍低于-10分贝医疗身体域网络内的乐队。FB比率都保养的很好,说明侧向获得超过5.7 dBi和FB比率超过17 dB医疗身体域网络乐队。这个研究表明,建议天线计划有一定程度的耐受性的材料由于环境变化特征变化。

结论

总之,我建议和测试一个紧凑的共形天线的可穿戴的过程,这是实现通过应用一个明确的大小的金属薄板各向异性metasurface支持。在矛盾之前验证天线结合AMC地面飞机,建议天线集成的metasurface充当主散热器以及提供隔离。实现天线在高符合仿真预测性能指标,实现5.5%的-10分贝带宽,增益约6.2 dBi,和FB比率高于23分贝,远远优于传统贴片天线。数值模拟和实验计算另外报道,天线是强大的人体组织结构变形和载荷的影响,以及环境变化的可能影响。此外,金属表支持metasurface大大降低了最大平均1 g SAR值。这些建议天线的实现特点建立一个最佳的候选人未来的可穿戴式医疗传感设备,观察和其他用途。

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