文摘

在这篇文章中,一个紧凑的可穿戴的u型单极天线工作在2.4 GHz频段医疗机构提出了区域网络应用程序。天线有一个紧凑的尺寸 ,覆盖一个乐队从2.14 GHz 3.03 GHz的增益为2.3在2.45 GHz dBi,在自由空间和效率93%。电磁带隙)此外,电磁带隙(超材料是用来隔离集成天线电路和身体,减少特定吸收率(SAR)。结果,一个电磁带隙地平面集成电路采用提供了一个安全的SAR值(0.68 W / kg)当它附加到人类的手臂跟着SAR值减少74%相比,电路电磁带隙(2.57 W / kg)没有。此外,对身体EBG-based天线的效率从54%提高到73.68%。最后,实验结果的可穿戴的心率和血氧水平BLE电磁带隙单极天线传感器的基础上,提出了u型展览平均能耗为108 mW, -74 dBm的敏感性和最大蓝牙低能量(bie)传输距离与手机16 m的复杂环境。

1。介绍

(WBAN)技术的无线人体局域网了令人印象深刻的是通过整合医疗技术和信息技术,提出了一种应用人体的传感器网络。然而,对身体上的集成天线传感器带来了显著的挑战和困难。的确,可穿戴天线WBAN应用程序需要紧凑、高效,机械地健壮,容易集成在一个穿在身上的传感器节点。此外,天线的辐射和阻抗特性不应该受到身体上的传感器的位置。与此同时,他们应该保形身体的表面。各种设计了嵌入式应用程序表现出理想的特征。

医疗设备设计了宽带天线,一般可以分为偶极子/单极或槽天线。研究了2.4 GHz的偶极天线操作(1]。然而,这种天线的尺寸相对较大 ,这就增加了难以集成到一个可穿戴设备。磁单极子天线是另一个流行的嵌入式应用程序类型广泛调查。在[2- - - - - -4),超宽频单极子天线(UWB)用于可穿戴头成像。另一个典型结构缝隙天线,这有助于创建多个乐队(5- - - - - -10]。

与传统的天线,这通常放置在自由的空间,可穿戴天线附近的各种变形条件下的人体组织。这些组织具有较高的介电常数,影响天线的性能,如反射系数(S11)、带宽、增益和辐射特性。此外,从这些天线电磁辐射需要特定吸收率(SAR)水平在健康和安全规定限制在10 g的欧盟(EU)和美国(美国)超过1克(11,12]。要纠正这些问题,电磁带隙电磁带隙)(结构介绍了可穿戴天线提供从人体高度的隔离13- - - - - -17]。电磁带隙表面Metamaterial-based限制表面波的传播在特定频段(称为带隙),因此减少不必要的回叶对人体的辐射。电磁带隙表面因此,当这些被用作地面飞机设计的可穿戴天线,他们限制SAR值的安全水平。

尽管显著成就,早期作品只调查了独立的天线,没有将它们集成到任何电路集成导致对天线的性能产生重大影响。因此,本研究致力于以下任务:(1)设计一个天线对人体和集成到BLE传感器电路,同时保持良好的天线性能,电磁带隙层(2)安装一个传感器住房减少干扰和提高电路效率,和(3)创建一个对身体祝福与低功耗传感器。

本文的组织结构如下:部分2分析了对身体天线在一个自由的空间和电路中。这种天线的性能和电磁带隙介绍和讨论部分没有2和3。部分3.2提出了对身体BLE无线传感器性能评估项年代BLE距离的沟通和功耗。结论是在最后一节。

2。设计可穿戴BLE传感器

2.1。u型单极天线在一个自由的空间和身体

可穿戴的u形天线应用程序设计结构如图1。在两个条件进行模拟,自由空间条件和身体条件。天线在蓝牙频带,2.4 GHz和2.483 GHz之间。单极天线是印在1毫米厚度FR4基板(0.025)的介电常数为4.3,损耗角正切涂有0.035毫米铜。天线参数如表所示1。

由于天线的目的是用于可穿戴BLE设备监测心率和血氧水平,一个简单的模型(幽灵)提出了人类的手臂。手臂幻影是模仿使用CST和它由四层,即。、皮肤、脂肪、肌肉、骨骼,如图2。的材料和设计参数(描述的手臂是一样的15]。总结了每一层的内在属性表2。天线放置在18毫米远离身体减少身体对天线性能的影响。这个距离将被用于设计的边界框心率和血氧水平BLE设备。

模拟S11和辐射模式数据所示3和4。天线是在一个自由的空间,S11低于10 dB−2.14 GHz和3.03 GHz之间的峰值增益带宽(36%)2.3 dBi和93%的效率。身体上的天线时,S11低于10 dB−2.25 GHz和2.56 GHz之间带宽(12.65%)与65.7%的效率和峰值增益为7.6 dBi因为人类的手臂。电磁带隙层,将稍后被设计来提高天线效率。

2.2。低功耗BLE传感器使用u型磁单极子天线集成到在一个自由的空间和身体

BLE技术是著名的低功耗消费相比,无线个域网或传统的蓝牙。有突出优势在能源消耗方面,单片机DA14585与完全集成2.4 GHz CMOS收发器符合蓝牙v5.0用于BLE传感器的主控制器单元。图5(一个)BLE传感器的框图。图5 (b)的详细方案设计实现框图。

的工作原理,单片机DA1485块的角色一个中央控制器,处理从传感器接收信号,然后通过天线。有两个传感器模块,MAX30100测量心率和血氧水平基于红外法;第二个传感器gy - 906 MX90614和非接触式体温测量功能,这个传感器基于红外的方法。红外传感器MLX90614和MAX30100连接到单片机DA14585通过I2C总线。这个祝福传感器使用电池来提供能量和维护;电池将提供5 V的电压传感器,使用一个额外的稳压器块生成3.3 V的电压供应中央控制块。BLE收发器处于活动状态时,传输和接收电流单片机DA14585马马是3.4和3.7,分别。给出了电路原理图5 (b)表明u型天线是直接连接到单片机DA14585 RFIO销34。

BLE布局电路与集成天线呈现在图6。u形天线设计的部分2.1有其地面足以插入BLE传感器布局内部电路、天线的共面饲料是直接连接到RFIO销34 DA14585需要50Ω在2.45 GHz阻抗匹配。非接触式温度传感器MLX90614和心率和血氧水平传感器MAX30100放置接近皮肤,有一个小洞在盒子上的红外线灯泡位置传感器,允许最准确的测量结果。与电极,电池是仔细密封绝缘从里面的其他组件。BLE电路时插入的地面天线,天线与50不再匹配阻抗Ω;它必须改变谐振频率转移到所需的祝福带。模拟u型天线的反射系数孤独和集成u型天线BLE传感器在自由空间如图7(一)。整合后的天线电路,其大小略有调整,以进一步提高电路板的阻抗匹配。调整天线的反射系数的黑色曲线,如图所示7 (b)。

当BLE传感器放置在人类手臂,由于身体的影响,天线谐振频率是影响和转移(长dash-dot红色线在图7 (b))。天线参数调整在BLE相配的频率,如图所示7 (b)线,黑色的颜色。这个祝福PCB电路设计的大小 装进盒子里。体温、心率和血氧水平的测量,然后传输到手机上的监视应用程序通过祝福5.0标准。

调整大小对身体集成天线的参数表3。之前和之后的天线辐射模式融入BLE传感器如图8(一个)。当调整大小 , ,和 S11低于-10分贝2.36 GHz和3.42 GHz之间,对应于42%的带宽,效率是54.72%,峰值增益是5.42 dBi,如图8 (b)。然而,正如我们可以看到从图8 (c),SAR的价值为2.57 W / kg,高于2 W /公斤,超过了允许的安全级别的身体可穿戴的射频设备。因此,我们把电磁带隙层集成天线在减少对身体的辐射。

2.3。EBG设计可穿戴天线集成

电磁带隙单位细胞结构的发展从传统的电磁带隙。蘑菇型它由一个金属块和一个圆柱形通过,通过基质,电磁带隙装置连接的补丁在地上细胞,如图9。

电磁带隙结构的运行机制可以解释为一个LC滤波器阵列或并联谐振电路,如图9(一个)和9 (b)。电感是由一个循环电流在通过通过结构,而电容是由两个相邻块的差距18- - - - - -20.]。

电容的值(),电感(),带宽(BW)和共振频率( )电磁带隙给出的如下(18- - - - - -20.]: 在哪里 , ,和are the permeability, permittivity, and impedance of free space, respectively, is the gap between the adjacent patches, and片宽度。

电磁带隙单胞的尺寸优化使用FR4基板和1.6毫米的厚度如表所示4。

电磁带隙层上方的集成天线放置在距离 。当集成天线的反射系数变化是多样的,如图10; mm是选择,因为S11小于-10分贝/宽带从2.37 GHz 3.19 GHz。随着电路必须小到被放在人类手臂,电磁带隙层的设计是根据BLE传感器的总大小的PCB ( )如图9。电磁带隙层覆盖的BLE传感器。我们把集成电路在一个盒子里的维数 ;电磁带隙蚀刻在一脸的盒子的盒子,用作部分提高电路的性能。这个完整的祝福传感器是足够小,可戴在人类的武器。模拟S11、峰值增益和效率与频率和辐射模式电磁带隙的身体上的天线集成电路如图11- - - - - -14。电磁带隙层与,S11低于-10分贝2.37 GHz和3.19 GHz之间带宽(33%);效率从54.72%增加到73.63%,从5.42到6.87 (dBi dBi峰值增益增加。

电磁带隙是SAR值的集成天线0.68 W / kg,小于2 W /公斤,如图15。电磁带隙层的,祝福传感器满足所需的SAR值,在允许的可穿戴的射频设备的安全水平。除此之外,电磁带隙层可以直接在盒子上蚀刻的传感器,可以看到BLE传感器的原型图16。小的心率和血氧水平BLE传感器有潜力成为工业化。表5总结了所有参数的集成天线电路电磁带隙。没有和

3所示。实验结果

3.1。集成在可穿戴天线BLE传感器测试

BLE传感器集成天线,很难测量和复核的天线性能S11和辐射模式作为传统独立天线因为一个集成天线是直接从RFIO兴奋销DA14585芯片和发射功率是DA14585芯片编程。因此,在本节中,我们提出集成天线性能的测量结果通过解读范围和归一化辐射模式。DA14585芯片上的固件编程来实现这些测量。

3.1.1。解读范围测量

的解读范围测量配置集成在可穿戴天线BLE传感器原型呈现在图17。可穿戴BLE传感器(test-DUT设备)是戴在人类手臂传递祝福的信号;小米手机是放在木头支柱的距离收到祝福DUT的信号。测试情况如下:(我)解读范围在自由空间测量:将木材支柱的DUT传送祝福信号;不同的距离DUT和手机之间的最大距离,祝福的信号可以收到;表中列出的结果6(2)身体测量的解读范围:DUT戴在人类手臂如图17,远离手机移动的最大距离 ,可以收到祝福的信号;表中列出的结果6

3.1.2。辐射方向图测量

辐射模式很重要,应该测量确保天线性能。如图18可穿戴BLE传感器(DUT)集成天线是一个发射机在测量配置系统。发射机发射功率所代表的和天线增益 。DUT的单片机DA14585程序传送祝福与传输功率信号 。保佑收到的信号是保佑接收器根据X8711A系统和天线的引用。接收方接收功率的表示和接收天线增益 。发射机和接收机之间的距离 。传输的天线增益下面通过Friis方程计算 , , ,和已知:

发射功率是程序与一个固定的值为0的dBm DA14585在此测量。DUT的旋转从0°- 360°;然后祝福接收器措施并显示接收功率相应的接收天线的旋转角bie发射机。DUT天线增益在每个旋转角计算和绘制来说明它的E面和H面。DUT放在手臂上的自由空间和测量归一化天线辐射模式在自由空间和身体上如图19。结果表明,模拟辐射模式与仿真结果吻合较好。有一个小变形测量辐射模式从270°- 300°,因为房间里家具的影响在接收功率。然而,这种差异来自房间的复杂环境的测量已经实现。BLE沟通的最大距离时19 m和16 m DUT的自由空间和身体,分别。

表7提出建议对BLE传感器集成天线之间的比较和相关医疗设备或物联网设备的天线。这项工作最困难的部分是祝福的天线电路的集成电路,在人类手臂,同时保持其性能。之前的作品设计可穿戴天线,但这些天线没有,放在BLE集成电路,盒子,或对人体这个工作。提出集成天线的祝福传感器制造和测试方面有杰出的表现带宽、增益、效率、和特别行政区。从表中我们可以看到,(9,24),这项工作有最高的效率和最小的SAR相比,相关工作。然而,我们的天线增益高于可穿戴天线(9,24]在天线效率[24但它的带宽较窄)是高于这个工作。尽管天线(9]效率高于这个集成天线的效率(9集成和测试时)将减少到电路。

3.2。BLE传感器:测试和评估

重要的是验证接收机灵敏度和BLE传感器的功耗。接收机灵敏度最低BLE信号,接收器可以解码 %。-74 dBm的灵敏度是衡量使用X8711A Keysight物联网测量系统,如图20.;它是传递祝福标准要求(-70 dBm)根据(26]。

功耗的祝福通过物联网传感器确定测量系统表中列出的结果8。的平均电流消耗BLE传感器前增加传感器和后添加传感器马马是3.17和32.68,分别和整个电路的功耗前后添加传感器传输25.67 mW和487.83兆瓦时,分别。在安装之前BLE的传感器电路、祝福的最小和最大功耗电路在主动模式,传输,接收模式和一段时间的1 s 8.25 mW 25.67 mW,分别。在添加传感器之后,它的最小和最大能耗26.4 mW和487.83 mW,分别。我们可以计算出保佑传感器寿命的情况下,传输保佑的数据传输周期1 s使用4-coin电池(220 mAh)作为祝福的电源设备。祝福的生命周期电路287 h没有相应的传感器和27 h和传感器。

可穿戴BLE传感器测试测量体温,心率和血氧水平,呈现在图21。对于一个正常的人类,血氧水平是100 74年心率和体温的33°。

4所示。结论

在本文中,一个可穿戴天线设计,分析,集成电路。集成天线放置在身体42%的带宽,增益为5.42 dBi, 54.72%的效率,特别行政区 。材料表面已经应用电磁带隙层嵌入电路作为一个盒子,天线效率从54.74%上升到73.63%,而特区的价值 实现电磁带隙层。当使用拟议的保佑传感器测试和评估是一个好保佑发射和接受19米。拟议的保佑电路通过了保佑灵敏度标准,然后,我们可以使用电路计算的小时数,直到电池耗尽。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者希望感谢RF3I实验室所有成员的帮助在我们的测量和实验。这项研究是由河内科技大学在格兰特t2021 - sahep - 007。