文摘
本文对身体实验测试的结果报告一组四个平面微分天线,是通过设计辐射元素具有相同的形状和变化特点是覆盖广泛的潜力和狭窄的乐队。所有天线设计上实现低成本的FR4基板上,通过对身体测量实验的特点。结果显示接近人体的影响天线性能和机会的潜在覆盖面宽,窄乐队未来特别设计和实现通过可穿戴的基板定位对身体和off-body通信和传感应用。
1。介绍
超宽频雷达为非接触式检测人类的呼吸速率(1- - - - - -4)是一个活跃的研究领域需要创新的收发器和天线的发展5,6]。一种新型平面微分天线最近提出了我们的研究小组7]。这个天线是设计用于满足设计约束,所需的电磁性能和物理集成、超宽频脉冲雷达传感器(UWB)操作大约从3到5 GHz频段2- - - - - -4]。之间的距离提出微分天线的辐射元素允许实现带宽增强。除了原始微分天线的发展,我们也调查了一些设计变化的客观展示这些反映天线的性能,表明来自的天线辐射元素具有相同的形状可以通过敏捷设计策略可能采用覆盖广义和狭义的乐队感兴趣的无线应用程序、通信、传感,由于辐射元素的大小和方向的变化对原平面微分天线(8]。
许多研究对人体的影响进行平面天线的性能。有关nondifferential天线,许多贡献的影响报道年代参数和增益模式,就像在9,10]。考虑不同喂养天线,在11),对身体的机身近场辐射模式天线为特征。在其他的研究中,植入式天线被认为,像在12,13),机身和辐射模式年代参数进行调查。然而,作者的知识,微分天线对人体的实验表征的off-body远场辐射模式,本文提出,在现有文献尚未得到关注。
完全差动接收器不太容易共模噪声和陷;从而微分天线可能扮演了一个重要的角色在未来网络和通信,尤其是考虑到大量的设备物联网时代的设想(14,15),在频谱已经拥挤的地区现有的应用程序和服务。
首次在这篇文章中,我们报告的结果对身体变化的实验表征平面微分天线设计中描述(8),造成测量在一个真正的人类,没有报道任何我们的以前的出版物。空间的原因,以前出版的细节和结果(8将不重复。因此,关于设计的见解,固有属性,和空间(在空气中)表演的天线,我们邀请读者检查我们之前的工作报告(8]。特别是,在这工作,在这里,我们将展示如何第一次接近人体影响天线性能和天线,所有来自辐射元素具有相同的形状,可能在未来采用特别设计在柔性基板或纺织面料覆盖多个宽,窄的乐队感兴趣的可穿戴申请两种通信和传感16]。
本文组织如下。部分2天线设计变化的描述和总结报告,自洽性的原因,主要的测试结果与前面的空间,提供参考设计的术语和性能。部分3从测试报告的测量结果真实的人体。最后,在节4,得出了结论。
2。平面微分天线:设计和测试
两组不同的平面微分天线设计低成本FR4基板(、介质厚度毫米,铜厚度μm,损耗角正切),一个完整的描述作为独立的设备。第一组天线的布局图,也就是说,折叠平面微分天线,如图1。第二组天线的布局图映平面微分天线,如图2。乍一看,我们观察到的每个辐射单元天线由一个半圆和一个三角形,它提供了一个平稳过渡到输入插脚(7]。特别是,折叠平面微分天线,除了两个辐射元素折叠一个另一个。特别是,孔径角的设计特点是三角形α和旋转角度ρ对称性轴之间的两个辐射元素。这种设计方法的主要特点是,它允许一个紧凑的设计发射机和接收机天线在同一板的雷达传感器基于系统级芯片实现雷达收发机,仍保持良好的性能(2- - - - - -4]。映平面微分天线的两个辐射元素旋转180°与尊重别人,所以导致一个映的位置。
在以下部分中,我们将总结实验开放测试的结果。特别是,我们报告两个天线设计的结果集,折叠和映,如下:(一)折叠平面微分天线= 45°和= 3厘米,如图1。(B)折叠平面微分天线= 45°和= 4厘米,如图1。(C)映平面微分天线= 180°和= 3厘米,如图2。(D)映平面微分天线= 180°和= 4厘米,如图2。
所有的天线设计进行了电磁(EM)的通过模拟器动量Keysight技术®,并在消声室实验特征。
2.1。折叠辐射元素:= 45°和= 3厘米
物理实现如图3。距离双方的天线等于1毫米。直径等于3厘米为了在感兴趣的频率(即产生共鸣。,大约3 GHz)。三角形的孔径角= 45°。两个辐射元素的旋转角度= 45°。
添加了两个微带喂线为了允许连接天线的一个矢量网络分析仪(VNA)通过2.92毫米连接器(水平),并进行实验测试。微带线的宽度喂养路径()等于3毫米为了表现出的特性阻抗Ω。之间的距离等于两个输入的天线= 1厘米,允许两个相邻连接器的位置,如图1。特征尺寸的超宽频天线报道在表1。模拟和测量在图参数和电压驻波比4。测量展览级低于−10 dB几乎在整个乐队感兴趣的,大约3到5 GHz (17,18]。图4报告还为电压波站结果比率(电压驻波比),低于两个几乎在整个乐队的兴趣。
2.2。折叠辐射元素:= 45°和= 4厘米
模拟和测量参数的函数的频率与折叠天线辐射元素(= 45°和= 4厘米)如图5。所有其他设计参数不变的折叠天线厘米。测量数据显示低于约−7.5 dB从2.4到5 GHz。特别是,dB大约从2.3到2.7 GHz,从3.3到5.1 GHz。图5报告也电压驻波比的测量结果是低于2在同一乐队上面报道,测量天线。正如预期的那样,结果证实,带宽,设计变化= 4厘米,扩展大约为0.5 GHz向较低的频率对最初的设计厘米。这个结果表明,这种设计变化有可能成为兼容多波段操作工业科学医学(ISM)窄带2.4 GHz (19,20.)和较低的部分的超宽频带3到5 GHz (3]。
2.3。映辐射元素:= 180°和= 3厘米
映的物理实现平面微分天线如图6。总结了设计参数表2。参数和电压驻波比的模拟和测量图所示7。低于−10 dB从1.1到1.44 GHz频段。天线低因此兼容操作在1.2 GHz l波段采用卫星应用全球定位和导航卫星系统(GNSS) [21]。
2.4。映辐射元素:= 180°和= 4厘米
在这个设计中,我们有厘米,厘米,= 5厘米。所有其他设计参数改变对这些总结前面的表2。
参数和电压驻波比的模拟和测量图所示8。我们得到了dB从0.8到1.06 GHz频段。
值得观察的是直径的增加(厘米),的情况= 3厘米,使潜在的ISM波段覆盖在868 MHz (22,23]。
测量和模拟之间的差异讨论了天线的变化,是多种因素的结果影响天线阻抗匹配的原型在测量,仿真模型中不考虑。即SMA连接器和焊料的存在在现实原型,不占的模拟,可以导致偏差的输入阻抗,随之变化的测量年代参数对模拟的。准确测量电缆,尽管屏蔽在测量,也可以部分负责这样的偏差,很难完全消除它们之间的耦合和辐射元素。然而,可以仍然认为超过可接受的差异。
3所示。对身体特征
所有四个不同平面微分天线在前一节中通过对身体特征总结实验测试,为了调查接近人体的影响天线性能,探索未来的潜力实现通过特别设计的柔性基板或纺织面料(14和开发嵌入式应用程序中21]。
在消声室进行测量,被测天线放置在胸部的一个真正的人类,与固定的距离15毫米的印刷电路板之间的天线和身体表面,通过它们之间的介质隔离放置。每个天线安装在隔离,所有的一起都放置在人体的胸部。天线的辐射单元的对面接口垫片。设在距和面向垂直地身体表面,和设在是指向上,如图9和10(a)的主要物理和介电特性参数天线和间隔织物报道在表3。
(一)
(b)
值得注意的是,实验对身体特征的目的是测试一个现实的情况,也就是说,与天线放置在一个真正的人体,在轻微的距离变化发生由于小身体动作由于呼吸和垫片压缩。该方案在图9因此天线放置的一个简单的说明表示身体,不显示上述现实的影响。
反射系数作为频率的函数和微分增益模式方位平面上(),确定为所有四个天线。获得模式派生通过测量,通过一个安捷伦PNAX网络分析仪、透射系数之间的单一输出standard-gain角和微分终端的天线测试下,对于不同的方位()方向,然后重新调节校准路径损耗的测量值,获得的发射角、两端和不匹配因素,为了获得收益的模式。所有测量,特别小心被送往避免尽可能多的可能的干扰和散射测量电缆,为了这个目的,是由射频吸收材料。此外,铁氧体堵塞被放置在测量电缆,以进一步减少与天线散射和不受欢迎的耦合。
3.1。折叠辐射元素:= 45°和厘米
测量反射系数和方位获取模式= 3 GHz,折叠的小天线辐射元素,对人体,如图11和12,分别。可以看到反射系数,与户外测量相比,受小的变化是由于人体的距离。然而,反射系数仍然超过可接受的dB从2.85到4.53 GHz频段。
微分增益测量模式= 3 GHz(即。,about the lowest resonance frequency), shown in Figure12面向,展品的主瓣半空间远离人体(例如,)。的最大收获dBi大约是4.14,这是增加的数量约为2.7 dB的开放情况下,dBi的最大收益是1.43。值得注意的是,在这种情况下,人体是作为一个反射器,生产增加最大增益和方向性。反向散射增益很大程度上是减毒的人体天线辐射的吸收大部分的力量。
因此,这种天线也能够穿过人体时,低的超宽频无线通讯off-body超宽频频谱的一部分(例如,3 - 5 GHz)。
3.2。折叠辐射元素:= 45°和厘米
数据13和14显示测量微分反射系数和方位的放大天线的增益模式与折叠元素(即。,= 4厘米)。类似于折叠天线= 3厘米,反射系数,因此电压驻波比接受轻微的变化由于人体的存在。特别是,我们有dB和电压驻波比< 2.1的较低部分从3到5 GHz超宽频带,这表明超过可接受的性能的天线时佩戴在人体。此外,从2.3 dB的乐队从3.3到2.7 GHz和5 GHz。关于对身体天线的增益测量模式如图14,在= 2.5 GHz,这有一个主瓣指向远离身体的最大1.5 dBi侧向方向。
最大增益增加约3.5 dB相比,户外测量,表明人体的反射。这天线变化,类似于较大的天线折叠元素,可能是适合对身体操作在超宽频off-body通信降低超宽频2.4 GHz频率谱和ISM波段。
3.3。映辐射元素:= 180°和厘米
对身体测量反射系数和增益模式GHz,户外的结果相比,小映天线数据所示15和16,分别。反射系数是影响由于接近人体的细微变化。特别是,−10 dB乐队变得略窄,扩展,从1.08到1.37 GHz频段和共振频率减少约10 MHz的价值= 1.21 GHz。
收益模式,如图16,以GHz,容易发生严重的反向散射衰减是由于人体和dBi的最大值约为0.5,略高于价值−0.3 dBi获得开放情况。最后,在对身体的操作,这种天线仍能够可靠地在l波段低1.2 GHz GNSS的应用程序。
3.4。映辐射元素:= 180°和厘米
实验结果为大版本的平面微分天线映元素(厘米)数据所示17和18。
微分反射系数,如图17,表明共振频率为874 MHz,稍微降低了对开放的情况下,和dB(或电压驻波比< 1.92)在乐队从820年到954 MHz,略窄于户外的乐队。接近人体恶化略阻抗匹配性能对户外测量。尽管,穿在身上天线仍有能力提供一个良好的868 MHz的ISM波段的报道。
至于获得模式飞机,图18表明,获得的模式MHz的天线戴在身体受到最大收益的减少,相当于约−1 dBi, 2 dB低于约dBi在开放空间的价值。此外,反向散射的增益模式,类似于其他天线,人体严重衰减。这个天线变异操作对身体,仍表现出的特征性能适合其潜在使用超高频(UHF)乐队在915 MHz射频识别(RFID)。
4所示。结论
四种不同的平面变化微分天线,对于宽、窄带应用程序,不同的尺寸和方向的辐射元素,是实验特征时穿人体的胸部。微分反射系数和水平的测量进行增益模式的天线,天线之间的距离为15毫米和人体。获得的结果进行了比较与天线的开放空间和以下的观察。
关于对性能的影响,人体有一个明确的存在对反射系数和增益模式的影响。特别是,至于增益模式,接近人体产生,所有天线变化,严重的衰减的反向散射部分增益模式,对佩戴者的背面,由于人体吸收的辐射功率。此外,3 4天线的最大增益测得的共振频率最低,对身体影响小增加对开放的情况下,表明人体作为反射器。大(= 4厘米)版本的天线与映元素,最大增益导致减少约2 dB的户外测量。关于反射系数,人体的存在导致小的变化特征,最明显的影响是轻微的降低共振频率。反射系数的性能仍然超过可接受的操作感兴趣的频率。
总之,所有的天线的性能仍然超过可接受的穿时15毫米的距离人体的胸部。这证明了未来潜在的可穿戴的实现原型,特别是短程off-body通信,与应用程序如监测生命体征或身体区域网络个人通信。此外,四个天线变化允许覆盖几个频段的利益,如较低的部分的超宽频从3到5 GHz, 868兆赫和2.45 GHz ISM波段,1.2 GHz乐队(l波段低)全球定位和导航卫星系统(GNSS)和超高频波段射频识别(RFID)的915 MHz。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢Keysight技术和Microlease慷慨捐赠的硬件设备和软件的计算机辅助设计工具,以支持研究活动在马可尼实验室进行,Tyndall国立研究所。这部分工作是支持由爱尔兰科学基金会授予SFI07 / SK / I1258,部分由爱尔兰研究理事会(IRC)授予R13485,和高等教育权威(头脑)。这个出版出来还从研究支持部分由另一个研究资助从SFI cofunded在欧洲区域发展基金批准号下13 / RC / 2077。