各种Textiles-Based比较分析毫米波的微型小说Body-Centric通信天线设计

文摘

60 GHz紧凑,小说塑造了microstrip-fed天线基于纺织衬底body-centric通信提出了。天线部分地面,纺织衬底厚度由1.5毫米100%聚酯。两个矩形贴片天线的部分散热器被给天线天工造物的外观。天线设计和模拟使用计算机仿真技术(CST微波工作室)软件。模拟结果表明,在自由空间中,天线实现的高带宽和中心频率为60.01 GHz 11.6 GHz。辐射效率为89.4%,8.535 dBi的最大增益天线。对身体的情况下,天线的模拟在五个不同的距离从一个人的躯干幻影。最亲密的距离幻影,dBi天线的增益是5.27,而辐射显著下降63%。12.27 GHz的最高带宽达到8毫米,而5.012 GHz的最低带宽达到4毫米远离幻影。增益和辐射效率与无线结果在最遥远的距离。 The antenna was also simulated with ten different textile substrates for both free-space and on-body scenarios. Among these ten substrates, denim, tween, and Quartzel fabric had similar performance results as polyester. This design achieved similar performance compared to other 60 GHz textile antennas while being a bit more compact. This antenna will be a promising choice for body-centric communications because of its compact size, textile-based substrate, and excellent on-body performance.

1。介绍

无线技术的进步意味着一个指数增加需求的智能无线设备在过去的几十年。这些设备包括新兴健康和健身的衣物。在当今世界,每一个设备连接到一个网络的期望传输大量的数据是相当规范。由于这种不断增长的需求连接,很显然,目前的无线乐队越来越拥挤,和未来的交流将会在毫米波(mm-wave)光谱(1,2]。

mm-wave频谱由30至300 GHz之间的频率,这意味着光谱波长范围从10毫米到1毫米。在自由空间,mm-wave衰减略高于4 g频率高的吸收氧气。在60、180和380 GHz频段的衰减mm-wave显著更高。波长短、高衰减意味着mm-waves光谱适合短程通信室内无障碍应用程序(1]。美国联邦通信委员会(FCC)分配60 GHz乐队在2001年为未经授权的使用(3,4]。目前,60 GHz乐队用于无线千兆联盟(WiGig)无线局域网(WLAN)设备。60 GHz乐队(57 - 64 GHz)提供了一个非常高的数据率在千兆每秒范围(3]。

可穿戴设备工作body-centric附近的无线通信(BCWC)。身体BCWC包括无线区域网络(WBAN),人体周围的传感器网络。可穿戴设备根据WBAN有三种操作模式:对身体,off-body,机身。之间的通信可穿戴设备放置在靠近人类的身体被称为对身体交流。Off-body之间通信设备放置在人体和另一个设备放置几米离开人体。当一个植入发送数据到设备放置在人体之外,它被称为机身沟通2]。Body-centric设备可能由医疗设备健康状况监测心率和血压等(5]。这些设备设计工作在60 GHz乐队将会非常定向和小天线的物理尺寸(3]。

WBAN纺织天线是一个有吸引力的设计前景他们潜在的可穿戴使用。一般来说,这些天线是由柔性导电材料被称为电子织物和衬底材料(译注7)。电子织物是由编织或针织(译注7)导电铜等线程与非导体的织物材料。基质是一种绝缘的材料通常由常规牛仔布等面料,涤纶和棉。纺织天线实际由于其易于集成到不同的面料,使它们适合医院病人的衣服,救援人员服装,等等的建设纺织天线使他们低调,轻量级、低维护(6,7]。

天线设计body-centric沟通需要评估人体可比条件下适当。人类的身体作为损耗介质,它可以大大降低天线的性能8]。在[9- - - - - -12),讨论了窄带和超宽带天线的设计由不同的作者。在这些情况下,所有的天线设计在纺织衬底。然而,在(13- - - - - -15),作者提出了60 GHz天线不设计纺织品基质。此外,很少有mm-wave天线设计提出了(16- - - - - -19]。在[15),一个60 GHz body-centric天线是专为对身体操作。在自由空间中,实现了高增益天线的带宽为9.37 dB 5 GHz。对身体的绩效评估,一个幽灵的人类躯体被创建。尽管mm-waves对人体非常低的穿透深度,幻影,皮肤,脂肪,肌肉层。因此,天线产生略低带宽但是更高的最大收益。Puskley等人设计了一个盘状低调的叶绿体会天线之间的良好匹配59.3和63.4 GHz (16]。天线时损失了大约25%的工作效率让1毫米远离5毫米厚皮肤幻影。类似于前面的纸,根据天线的距离幻影,对身体最大增益增加相比,自由空间。低调的开槽贴片60 GHz天线设计在17]。天线有一个宽的带宽9.8 GHz的自由空间的效率为74%。对身体的情况下,天线的效率下降到63%,但是,像在以前的情况下,获得dBi dBi的10.6增加到12.1。基于上述mm-wave天线不是纺织。

60 GHz纺织品提出了基于微带贴片天线阵列(18]。由于制造过程的复杂性,而不是电子织物,(译注7)铜薄片的0.07毫米被用于所有辐射材料。对纺织材料,使用0.2毫米的棉织布料。天线的V 15.2 mm长的微带线和连接器的性能度量。反射系数低于−10 dB 57 - 64 GHz范围自由空间的效率为40.7%。为人体性能,天线是保持在0和5毫米远离皮肤魅影2×100×100毫米大小³。在最近的距离幻影,效率和天线的增益下降。在5毫米的幻影,这些值接近空间值增加。天线也受到弯曲和扭曲的,这两种天线的性能几乎没有影响。在[19),一个类似的分析已经microstrip-fed Yagi-Uda天线。天线由一个驱动的偶极子和10董事印在一个0.2毫米厚面料全棉的。由于前面提到的原因,散热器是由0.07毫米厚铜箔。天线产生一种end-fire辐射模式在55 - 64 GHz范围。计算和测量约9.2 dBi最大增益在自由空间。天线的评估是一个齐次skin-equivalent幻影测量10×100×100毫米³在两个不同的距离像18]。与自由空间相比,天线的效率从48%降至78%,而获得dBi增加到11.9。这两种天线的设计只有棉基质(18,19]。一个是专为60 GHz阵列天线和另一个是为了得到end-fire辐射。

大多数的研究可穿戴纺织天线是基于设计工作在较低频段(20.- - - - - -27]。虽然提出的天线(18,19基于纺织,他们只用于一个纺织材料,棉花。在给出的天线18)是一个阵列天线。工作的目标和研究调查(18,19)不同于本文的研究目标和调查。本文的主要目的是提出一个60 GHz天线设计为可穿戴设备基于100%聚酯衬底。各种textiles-based比较分析毫米波微型小说的下面是body-centric通信天线设计。天线的性能已经与十个不同的纺织品基质。参数研究是由各种天线参数的变化。对身体的性能也被调查。此外,性能也调查了天线放置在不同距离人体模型。最后,对身体各种基质的天线的性能研究和比较。

本文由六个部分组成。给出了天线的结构和材料选择2。无线性能描述的部分3。参数的变化是由天线的长度不同的部分在哪里改变观察性能变化。涤纶纺织衬底被换成十其他底物在自由空间和评估。仿真结果中包括部分3。可穿戴的场景中,天线放置在躯干幻影在5个不同的距离。对身体模拟结果详细的节4。对身体仿真结果为其他纺织品基质最接近幻影也包含在这一节中。节5,简要对比提出天线已经取得了与其他可用60 GHz纺织品。最后,节6,结论。

2。材料和天线设计

减少损失在可穿戴的场景中,一个适当的设计应考虑纺织天线。天线应该足够低调的和灵活的,这样压力下的性能没有显著降低(7]。本文提出了微带贴片天线的设计与部分地面(数字1(一)- - - - - -1 (d))。不是electro-textile,天线的辐射贴片和地面都是完美的电导体(压电陶瓷)和0.035毫米厚度。纺织衬底的1.5毫米厚100%涤纶,介电常数为1.9。介电常数是相对介电常数的实部和是一个重要的参数,因为它会影响天线的阻抗带宽。低介电常数减少在衬底表面波损失,从而增加阻抗带宽(7]。纺织衬底的总尺寸是12.2×12×1.57毫米³。天线的电尺寸的整体宽度和长度衬底和 ,分别。天线由4.9 mm长的和2.15毫米宽美联储微带线。天线的材料和厚度和介电常数在桌子上1。天线设计和模拟使用计算机仿真技术(CST)。

天线的辐射贴片有7.3毫米×12毫米尺寸和连接到一个2.15毫米宽4.9 mm长的馈线。的电尺寸的天线辐射单元的整体宽度和长度和 ,分别。地面测量4.5毫米×12毫米。两个矩形补丁已经从中间和右边的散热器。移除中间部分的补丁5.38毫米×2.9毫米尺寸,同时删除部分从侧面是6.3毫米×3.1毫米。删除散热器部分也给天线天工造物设计。的每一个部分的总尺寸天线被标记在图1 (c),表中给出的值2。

3所示。无线仿真结果

图2显示该纺织天线的回波损耗曲线。天线产生一个非常宽的−10 dB的阻抗带宽与中心频率为60.01 GHz 11.632 GHz无线条件。天线显示了一个非常好的回波损耗的价值接近−19 dB在操作频率。天线的辐射效率为89.4%,取得了最大增益为8.535 dB,如表所示3。图3(一个)显示了3 d 60 GHz辐射模式,而E-plane和h面辐射模式如图3 (b)和3 (c),分别。这个天线的辐射方向图显示与轻微变形几乎全向辐射模式在不同的角度。这可能是由于较低的地平面天线的背后。天线的E - h平面辐射模式60 GHz显示有良好的特点,除了轻微的零和几个角度。电压驻波比(电压驻波比)如图4。图表明,天线的电压驻波比价值60 GHz,接近1.3,这很好。一个表面的电流分布如图5。

3.1。参数研究

参数的研究中,天线馈线的宽度(fw),长度(lgydF4y2Ba),和地面长度(lg)改变观察回波损耗的变化曲线。矩形贴片尺寸从中间部分也是通过改变变量的值不同的“ls”和“ws”。

3.1.1。馈线宽度(fw)

中心频率稍微向右转向时60.164 GHz馈线宽度较小的从2.15毫米到2毫米。带宽减少了300 MHz虽然增益和辐射效率仍然几乎不变。馈线宽度增加到2.5毫米时,中心频率转移到59.66 GHz。带宽相比显著增加逾1 GHz的自由空间。获得较小的和更大的宽度保持不变。而馈线的辐射效率略有增加宽度。图6显示了不同馈线的回波损耗比较曲线宽度与空间的结果。表3包含详细的参数值将馈线宽度变化。

3.1.2。天线的总长度(lgydF4y2Ba)

当天线”lgydF4y2Ba“从12.2毫米至12毫米长度降低,中心频率的转向正确的观察(图7)。带宽保持不变,但增益和辐射效率略有增加。较大的天线长度为12.5毫米,58.834 GHz的中心频率发生了巨大的变化。这三个参数,带宽,增益,和辐射效率,略有下降。表中给出的细节4,回波损耗对比曲线如图7。

3.1.3。地平面长度(lg)

减少地面长度的大小、lg、0.5毫米,使中心频率转向正确的同时增加阻抗带宽(图8)。增益保持不变,但辐射效率下降了超过1%。相反的观察是在地面的大小长度增加。中心频率移到左边,带宽下降了0.6 GHz(图8),辐射效率增加,增益仍然几乎相同(表5)。

3.1.4。“ws”“ls”长度和宽度

数据9(一个)和9 (b)显示的回波损耗散热器尺寸的变化。左边一个巨大的转变的中心频率时观察到“ls”是减少长度从5.38毫米到5毫米(图9(一个))。尽管带宽和增益的增加,辐射效率略有降低。很少的变化观察当长度增加到5.5毫米。改变“ws”宽度从2.9毫米到2.6毫米和3.2毫米在所有四个参数有一个微不足道的影响。表6从这些变化显示所有详细的值。

3.2。仿真结果使用不同的纺织品

天线的聚酯基体是取代了10个不同的面料在空间进一步分析天线设计。这些面料如下:牛仔裤、牛仔布、丝绸、渐变、巴拿马、感觉,斜纹棉布,棉花,Quartzel织物和过胶尼龙/莱卡。这些底物的尺寸都一样的100%聚酯,但是厚度改变取决于所使用的织物。结果表明,牛仔、渐变和quartzel织物进行最接近初始设计的中心频率和带宽(图10 ())。除了过胶尼龙/莱卡,获得高于8 dBi的基质。由于相似的牛仔裤和quartzel织物厚度和相对介电常数,结果非常类似于聚酯织物。这种织物的摘要变化空间分析表7。数据10 (b)和10 (c)显示天线的E和H平面辐射模式不同的纺织品基质。由于不同的纺织品基质,E和H平面辐射模式不改变,但一个功率级的轻微变动,是观察。

4所示。对身体仿真结果

body-centric模拟,创建一个人类torso-equivalent幻影。这个幽灵包含三层代表皮肤,脂肪和肌肉。mm-waves穿透能力非常低,在60 GHz,他们可以穿透只有0.5毫米的人类皮肤(15]。出于这个原因,大多数的研究工作60 GHz基于skin-equivalent幻影(18,19]。为我们的工作我们选择三层来表示人体的更精确的模型。这些三层可以精确模拟通过他们的相对介电常数和电导率。在表8详细的尺寸值,相对介电常数和电导率的躯干幻影给出28]。图(11日)显示了不同层次的人体躯干的幻影。

天线是定位在5种不同距离幻影分析天线的性能在可穿戴的场景中。从2毫米,天线是逐渐2毫米,最终10毫米远离幻影。数据11 (b)- - - - - -11 (d)天线的位置在三个不同的距离。

4.1。100%涤纶结果

不同天线的回波损耗曲线位置距离人体的三层模型图所示12(一个)。在2毫米和6毫米远离幻影,天线的中心频率转移到0.5 GHz。这种转变并不是作为重要4、8、10毫米,在10毫米,中心频率是最接近空间中心频率。从6毫米以上的距离,阻抗带宽超过11个GHz, 8毫米有最高的带宽。带宽是最低4毫米,2毫米,略高于10 GHz。涨幅最大的是约8.7 dBi的距离6,8 - 10毫米。在2毫米,增益下降到5.27 dBi的最小值。辐射效率增加天线的距离幻影却显著降低而增加空间。在这项研究中,它是指出,天线的对身体辐射效率略低于自由空间。发生这种情况是因为不同的吸收损耗人体组织。 From Table9,它是指出,减少辐射效率低时天线和身体之间的距离增加。这是因为当天线放置在距离人体更高,它不影响有损人体组织的辐射效率。表9总结了对身体天线性能随着距离变化的结果。E-Plane和h面辐射模式随着距离变化数据所示12 (b)和12 (c)。E、H飞机辐射模式不改变,改变天线之间的距离和人体模型,而功率损耗的变化是观察。

4.2。不同的纺织结果

所有十基质也模拟为一个对身体场景保持天线2毫米远离幻影。天线的性能使用牛仔和quartzel织物接近对身体聚酯的性能。图(13日)展示了一个对身体所有10个不同的回波损耗比较基质连同原聚酯基体。牛仔布,即使最大的增益下降到5.239 dBi, 60 GHz的中心频率和带宽接近10 GHz。低增益为4.376 dBi, 43.53%的辐射效率,和中心频率为62.19 GHz,牛仔裤取得了最高的23.51 GHz的带宽。总的来说,每一个底物实现带宽高于8.6 GHz,而辐射效率从未超过64.02%。给出详细的值对身体分析表10。数据13 (b)和13 (c)显示天线的E和H平面辐射模式不同的纺织品时,天线放置2毫米远离人体模型。改变不同的纺织品基质,对身体辐射天线略有变化的模式;然而功率损耗的注意。

5。比较与先前的工作

如前所述,没有多少60 GHz纺织天线body-centric通信进行了研究。在[工作相比18,19),天线提出了工作长度更小但有点宽。总的来说,尺寸比其他作品更紧凑。我们提出了天线的带宽是更高的空间和对身体。提出设计在这项研究中取得了类似的结果在空间的最大增益,但是对身体,获得显著降低。表11提供了一个比较概述我们的工作和其他已知的设计。

6。结论

本文的主要目的是设计一个紧凑的60 GHz基于纺织衬底body-centric通信天线。设计100%的聚酯基体,微带贴片天线显示高阻抗带宽在60 GHz带具有良好的辐射效率。从参数研究,结果表明,通过减少地面长度,带宽增加。增益和辐射效率不受影响发生更改时,在散热器和地面的大小。对身体的安排,天线时表现最好保持在8毫米远离一个幽灵。我们看到了带宽和增益增加在这个距离相比,空间辐射效率略有降低。天线增益最低的幻影在最近的距离。在一般情况下,天线的性能不断改善幻影和天线之间的距离不断增加。

他们的相对介电常数价值特征纺织品基质。这是明显的天线进行同样聚酯基体牛仔所取代时,渐变或quartzel织物。之前的60 GHz纺织天线相比,我们的设计实现高阻抗带宽。即使获得相似的空间,对身体获得低得多。没有很多纺织天线为mm-wave可穿戴设备而设计的。我们的工作将是一个不错的除了这类天线因其紧凑的和相对简单的设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现都是免费的http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突的报告对于本研究。

确认

作者感谢塔伊夫大学的研究人员的支持支持项目(TURSP-2020/239),塔伊夫大学,塔伊夫,沙特阿拉伯。

引用

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