（生物医学工程专业论文）构建可穿戴式网络的天线设计与实现.pdf

a n t e n n ad e s i g na n di m p l e m e n tf o rt h e w e a r a b l en e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e p h o n e ，b l u e t o o t he a r p h o n e ，w i r e l e s s n e t w o r kc a r d , w i r e l e s sr o u t e ra n dw e a r a b l ec o m p m e r su s e dn e a rt h e h u m a nb o d y q u i t es o o nw ew i l ls e eaw i d er a n g eo fu n o b t r u s i v e w e a r a b l ea n du b i q u i t o u sc o m p u t i n g e q u i p m e n ti n t e g r a t e d i n t oo u r e v e r y d a yw e a ra n dt h eb o d y - c e n t r i cw i r e l e s sn e t w o r ke q u i p m e n tw i l lb e s t u d i e db l o o m i n g l y c o n s i d e r i n gt h en e e d s ，w ep r o p o r s et h ec o n c e p to f t h ew e a r a b l en e t w o r k t h ek e yt e c h n i q u e sf o ri m p l e m e m i n gt h ew e a r a b l e n e t w o r ka r et h ee l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o nc o n t r o la n dt h ew e a r a b l e a n t e n n ai m p l e m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e d0 1 1t h ec o m p u t a t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d s ，t h er a d i a t i o nc h a r a c t e f i g i co fa n t e n n a sc a nb e s i m u l a t e dt o g e t h e rw i t hv i s i b l eh u m a nb o d ym o d e l t h em e 姗e m e n to f t h ea n t e n n aw e a r r e dw i t hh u m a nc a i la l s ob em a d eb yu s i n gn e t w o r k a n a l y z e r i nt h i sp a p e r , t h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en a r r o wb a n d b l u e t o o t ha n t e n n aa n dt h eb r o a db a n du w ba n t e n n aa r es i m u l a t e da n d t h es t r u c t u r ed e s i g n so ft h ea n t e n n a sa r eg i v e n f u r t h e r m o r e ，t h en a r r o w b a n dw e a r a b l en e t w o r kh a sb e e ns t u t i e da n de s t i m a t e db ym e a s u r e m e n t ， a n dt h eh u m a nb o a ye f f e c tc a u s e db yb l u e t o o t hr ft e r m i n a lh a sb e e n s t u d i d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： i t h es a rd i s t r i b u t i o ni nah i 曲- f i d e l i t yh u m a nb o d ym o d e l c a u s e db y2 4 g h zb a n dp l a n a ri n v e r t e d - fa n t e n n a ( p i f a ) f o rb l u e t o o t h a p p l i c a t i o nh a sb e e ns t u d i e db ys u b 一鲥df i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n f f d t d ) m e t h o d i i t h ep l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ( p i f a ) f o rt h en a r r o wb a n d w e a r a b l en e t w o r kh a sb e e n d e s i g n e d a n dt h e o n b o d y c h a n n e l p r o p a g a t i o n sc h a r a c t e r h a sb e e ns t u d i e db ya ne x p e r i m e n t a lm e t h o dw h e n 北京邮电大学硕士研究生学位论文 m o u n t e do nd i f f e r e n tp o s i t i o n so nh u m a nb o d ya n dw i t hd i f f e r e n tb o d y p o s t u r e s i i i t h e c o u p l e dp l a n a rd i p o l eu l t r a w i d e b a n d a n t e n n ah a sb e e n d e s i g n e da n di t sp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e df o rw e a r a b l ec o m p u t e ra n d n e t w o r ka p p l i c a t i o n k e yw o r d s ： w e a r a b l en e t w o r k , b o d y - c e n t r i cw i r e l e s s n e t w o r k , p l a n a r i n v e r t e d - - f a n t e n n a ( p l f a ) ，s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ( s a r ) ，c o u p l e dp l a n a rd i p o l e u w b a n t e n n “c p d u w b ) ，f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 鬟爱登翌竺三姓 本人签名： 塑l ：3 本人承担一切相关责任。 日期：丝翌：三：! 至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：! ! 翌三：坐 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，由于无线通信新技术和微处理器等相关领域的飞速发展，人体中心 无线网络这一名词日益成为研究热点，掌握先进技术手段的专家们正在对其物理 层进行研究，对相关标准制定等问题进行思考，人们对于人体中心无线网络 ( b o d yc e n t r i cw i r e l e s sn e t w o r k ) 提高人类生活质量的期待非常之大。 人体本身是一个非常复杂的电磁系统，它由多种形状各异、电磁特性不同的 生物组织构成；而且，大多数生物组织都是非均匀的色散媒质。在外加电场作用 下，生物组织表现为具有随着电磁波频率、温度、组织结构和含水量而变化的传 导性和介电性。一般来说，介电常数随频率的增高而减小，电导率随频率的增高 而增大，这些特性与人体复杂的几何形体共同构成了人体表面电磁波传播的边界 条件。 此外，因为任何人体中心的通信技术都必须保证在实际情况下的正常使用， 因此很多其他园素诸如人体的运动时的各种姿势、佩戴手表或饰品、通信终端本 身结构等也会给人体体表电磁波的传播带来影响，因而给人体通信信道的质量与 稳定性提出了很高的要求。 1 2 人体中心无线网络的研究概况及可穿戴式网络的概念 专门针对人体天线设计的研究在近三四年的时间里才刚刚开始，但是与其紧 密相关的手机辐射对于人脑部影响的研究，早在上世纪随着移动电话的迅速普及 而兴起。该研究受对身体健康关注的驱使，曾一度成为世界性的研究热点，至今 仍在进行，最终促使了限制s a r ( s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ) 值的手机制造辐射 标准的实施，如国际非电离性辐射保护委员会( i c m r p ) 的2 w k g 规定和美国规 定的1 6 w 埏标准【i 】f 2 】，等，采取的研究方法主要是f d t d n i t e d e f e r e n c e t a n e - d o m a i a ) 法计算及测量进入人体内的电磁辐射能量，结论围绕s a r 值得出， 其研究电磁波的频段为移动电话通信频段9 0 0 m h z 与1 8 g h z ，同时，另一个研 2 北京部电大学硕士研究生学位论文 究方向为人体与移动设备的互相干扰导致的对于移动通信质量的影响。为降低人 体对手机天线接收信号性能的影响，有研究人员采取了新型的天线设计i ，阐述 了受人体干扰较小的s l o t a n t e n n a ( 缝耦合微带天线) 。 最近三年里，人体天线的研究才慢慢从对具体移动通信设备的研究中独立出 来，出现了依附于人体的天线( b o d y - m o u n t e da n t e n n a ) 等相关字眼，而研究频 段也较多的针对于称为i s m 的2 4 g h z - 2 4 5 0 h z 频段，即蓝牙、w i f i 等以人体 为中心的无线技术的工作频段。研究方法上不外乎理论计算，计算机仿真与实验 测试。其中代表世界领先研究水平的的研究力量当属英国伯明翰大学与马丽女皇 学院的联合研究小组，他们测试了以腰部为固定发射点，全身不同地方安装1 3 个接收点( 如图1 - 1 ) ，在人体不同静态姿势下的不同接收点测量了通道增益( 结 果符合表面波传播规律) ，以及以腰部为固定发射点，接收点不断远离人体的情 况( 结果符合空间波传播规律) 【4 】；而在p e r f o r m a n c eo fa n t e n n a si nt h eo n b o d y e n v i r o r t m e n t 中，他们采取类似方法，在腰部发射腕部接受的情况下，研究了发 射点皆为单极型天线，而接收点分别为单极( m o n o p o l e ) ，环形( 1 0 0 p ) 、( p a t c h ) 和阵列( a r r a y ) 四种不同类型天线组合的表现，结论为在多数情况下，单极一单 极天线的组合方式连接损耗最小；在c o m p a r i s o nb e t w e e nt w od i f f e r e n ta n t e l l l l a sf o r u w b 舢b o d yp r o p a g a t i o nm e a s u r e m e n t s p l 中他们比较了p r i n t e dh o ms h a p e d i f - c o m p l e m e n t a r ya n t e n n a s ( h s c a ) 和p l a n a ri n v e r t e dc o n ea n t e r m a s ( p i c a ) 两种 天线在腰部胸部、腰部腕部、腰部耳部几种连接方式下的表现，得出结果显示 不同类型天线的灵活混合使用可以有效提高人体中心无线网络质量；此外在 a n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o nf o rb o d yc c n h i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 6 1 中他们用 a n s o f t 公司的h i 曲f r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r 软件对人体进行建模，采用有限 元法计算仿真了入体表面波传播特性曲线。 圉1 - 1 人体上放置天线的一些部位 北京邮电大学硕士研究生学位论文 可以看到，国外在该领域的研究仅处于探索阶段，研究所用的天线是结构最 为简单、并且由于体积等因素不可能运用在现代实际科技产品中的天线，因而对 于实际产品开发与人体信道天线设计的意义非常有限，在国内更是刚刚接触而没 有成果产出。由于该研究涉及问题相当复杂，随机性大，现有的研究中对于实际 情况的模拟都还很粗糙。 为了使可穿戴式设备研究进一步实用化，我们提出了可穿戴式网络的概念。 可穿戴式网络是可穿戴式设备概念的延伸和发展，所谓可穿戴式网络是专门指穿 戴在人体上的人体微微网及其连接人体中心无线网络、无线局域网或有线局域网 的接入设备。实现可穿戴式网络的关键是电磁辐射控制和人体天线的开发。电磁 辐射控制问题涉及可穿戴式网络工作时对人体健康影响的评估；而人体天线是可 穿戴式网络组网的连接节点。 人体表面信道的质量与稳定性成为可穿戴式网络技术的重要组成部分，我们 希望获得尽可能好的信号质量，这本身就给人体天线的设计提出了很大的挑战， 天线的方向图、增益等特性都必须给予专门的设计方法与考虑。但是，出于对人 体健康以及移动设备功耗的考虑，我们又希望辐射功率能够尽可能的小。因此， 矛盾是确实存在的，如为满足省电要求，现有产品化的蓝矛无线产品的传输距离、 速度只能限制在1 0 0 米与1 m o p s 内。 天线，是在无线通讯系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件，也 是影响模块传输特性的关键性组件，天线因设计方法与制作材质不同而千变万 化，唯有找到适用于可穿戴式网络的天线设计方法，才能解决上述问题。 因此，基于对人体与附近或沿体表传播的电磁波传播的互相影响的研究进行 人体天线的设计，对于可穿戴式网络技术的实现有着重大的意义。此外，随着计 算机技术的不断发展，数据量的不断增加，人们对短距离无线通信的容量追求是 无止境的，这也从某种程度上意味着，对于人体天线的研究将不断有更高的要求， 这也将是一项永无止境的研究。 1 3 短距离无线通信技术 今天，我们根据不同的活动需求在不同时闻随身携带多个人电子装置，比如 手表，移动电话，计算器，掌上电脑或是笔记本电脑。每个装置分别具备电池， 键盘，显示屏和音频输出，这造成大量功能的重叠。如果每个功能模块可以共享 键盘，显示屏，并且将共享装置设置在衣服外部的方便位置，而非放在不易进入 的衣兜内，就会节省许多重量和功耗，而且方便使用。理想情况下，现在的复杂 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 装置将以最优的形式分割成功能模块，以便组合匹配功能来满足用户不同的需 求，而各个模块之间通过短距离无线通信技术传递数据和控制信息。短距离无线 通信技术标准有蓝牙( b l u e t o o t h ) ，w i - f i ，u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) ，z i g b c e ， h o m e r f 等。 1 3 1 蓝牙简介 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一个开放性的、短距离无线通信技术标准。它可以在较 小的范围内，通过无线连接的方式，实现安全、低成本、低功耗的网络互联，使 得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之 间的语音和数据通信。 蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g h zi s m 频段，现阶段，发射范围可达1 0 m 。 最高数据传输速率为1 m b s ( 有效传输速率为7 2 1 k b s ) ， 可以同时实现8 台设备的 相互联通。 同其他的无线连接方式相比较，蓝牙技术采用2 4 2 4 8 5 g h z 的通讯频段， 以扩频跳频为通讯方式，大大提高了通讯连接的抗干扰性，也不需要设备间的对 准，蓝牙协议中，互联的鉴权规则提供了安全可靠的连接。 蓝牙信号所占据的频率为2 4 g h z ，为世界上通用的免费i s m 频段，此频段产 生的温度上升效应将不能忽视，不可避免地引起人体组织内部的热效应。 蓝牙其最终的通讯速率远远低于较理想的u w b 信号的通讯速率( 如 1 0 0 m b p s ) ，低速率信号通信所导致的能量损耗将以几倍的数量级高于较高速率 信号通信所产生的能量损耗。 1 3 2 u w b 简介 u w b f t n t r a w i d e b a n d ) ：超宽带是1 9 6 0 年作为军用雷达技术开发出来的，通 过发射极短暂的脉冲信号，并接收和分析反射回来的脉冲位置就可以得到检测对 象的信息。u w b 还可以应用于通信领域，具有低功耗、低成本、低截获率等特 点，很容易实现1 0 0 m b p s 上的高速宽带无线通信。以前u w b 一直应用于军事 雷达，很少用于无线通信。但是，经过多年的反复争辩，美雪f c c ( 联邦通信委 员会) 终于在2 0 0 2 年2 月1 4 日批准开放3 1 g 一1 0 6 g h z 频段给民用短距离u w b 无线 通信使用。 目前超宽带信号有两种含义： ， 一种是指相对带宽大于0 2 的信号，所谓相对带宽，是指叩。石了j h 而- - j l ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 厶和无表示信号的1 0 d b 频带的最高和最低频率。另一种含义是指带宽超过 5 0 0 m i - i z 的信号。 超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网，家域网，个域网，雷达定位和成 象系统，智能交通系统，涉及到军事、公安、救援、医疗、测量等等领域： 1 ) 在无线多媒体局域网，家域网，个域网的应用中，各种多媒体设各通常希 望使用数十兆甚至数百的数据速率，目前超宽带技术被认为是能够符合这种要 求的最合适的技术之一。 2 ) 超宽带系统同时具有无线和定位的功能，可以应用于智能交通系统中。为 汽车防撞系统、测速、收费系统通过解决方案。 3 ) 使用基带脉冲方式的超宽带系统，具有比较强的穿透障碍的能力，在军事、 勘探、安全等领域具有很大的应用潜力。尽管受至, j f c c 对其发射功率的约束，但 是随着u w b 技术的发展，对于1 1 0 m b p s 传输速率，在室内衰落信道中的设计 距离已经可以达至0 1 5 m 左右。如果降低速率，距离还可以加大。研究表明，在高 速数据传输的应用场合，在2 0 m 的距离之内，u w b 的性能优于8 0 2 1 1 b a ，而在2 0 m 之外没有优势；在低速率传输的应用场合，相对于其他技术，u w b 具有低成本、 低功耗的优势。 作为宽带信号，l r w b 信号包含了大量不同频率的信号，要进行s a r 值估计， f d t d 计算方法需计算在每一个频率点，涉及到非常大的计算量。 1 4 本文所做的工作及研究成果 本论文通过对大量人体中心无线网络及相关微带天线的研究，结合一种用于 2 4 5 g h z i s m 波段的平面倒f 天线的仿真与实际制作测试，对用于人体中心无线 通信网络的人体天线进行研究，现在进行的设计研究主要采取以下两种方法： 1 f d t d 法软件仿真 时域有限差分法简称为f d t d 方法( f i n i t e - d i f f e r e n c et m a e d o m a i nm e t h o d ) ， 是一种时域( 宽带) 、全波、一体化的分析方法，正在微带天线的分析和设计领域 崭露头角。其先将m a x w e l l 方程在直角坐标系中展成六个标量场的分量方程， 再将问题空间沿三个轴向分成很多网格单元，每个单元长度作为空间变元，相应 得出时间变元。用有限差分式表示关于场分量对时间和空间变量的微分，即可得 到f d t d 基本方程。选取合适的场初值和计算空间的边界条件，可以得到包括 时间变量的m a x w e l l 方程四维数值解，通过傅立叶变换可得到三维空间的谱 域解。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 时域有限差分法与矩量法相比更广泛适用各种微带结构，以及分层、不均匀、 有耗、色散等媒质的问题。而且时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布 情况，有助于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程，利于改进天线的性能。 此外，时域有限差分法选用适当的激励源，通过一次时域计算便可获得天线的宽 频带辐射特性，避免了传统频域方法繁琐的逐点计算。 使用电磁仿真软件设计的步骤是：首先根据所给的性能指标选择合理的天线 结构，并在e d a 软件中建立天线结构模型；然后引入电线使用电介质环境的模 型，在本例中即标准人体的电介质特性模型：之后使用e d a 的仿真功能对天线 进行全波分析数值计算，再根据计算结果修改某些参数，并将其设置为优化变量， 用e d a 软件的优化功能进行优化，以使各项性能指标达到或接近设计指标要求 ( 这是一个反复的过程) ：最后确定天线的最终结构尺寸，将最终仿真结果输出。 2 实验测量 实际加工制造出与理论设计相同结构与尺寸的天线，模拟天线的使用环境， 即人体表面环境，用测量设备测得天线及信道特性，随时加以修改，直到满足设 计要求的方法。其最大优点是直观，利于修改，可迅速获得修改设计的结果，并 且得到的结果与实际使用环境下的最为接近：缺点是对于结构复杂或者精度要求 高的天线设计，加工制作存在较大困难，同时对于测量技术也有相应较高的要求。 使用实验测量法设计天线的步骤是：首先选取可能符合设计要求的天线设计 方案，3 0 口- r 出天线实物；然后测量制成天线的部分基本参数，验证其与理论设计 值的吻合程度，如果不吻合，分析可能造成理论与实际差别的原因，在实物天线 的基础上反复修改直到基本指标符合实验要求；接着按照修改后的设计重新制作 天线，置于模拟实际使用环境的实验环境中，按照设计的实验方案进行实验，获 得实验结果，进一步修改设计，反复直到所有设计指标均符合设计要求为止。 实验测量法对于任何科学实验都是科学、客观且无可取代的方法，往往是所 有产品或技术设计的最后步。在可穿戴式网络天线的设计中，通常我们需要结 合软件仿真与实验测量两种方法，如果通过努力和排除无关因素，使两者得到结 果相吻合并且满足设计指标的要求，那么设计就可以被认为是成功的a 本论文中各章节内容安排如下： 第一章简单介绍了人体中心无线网络的发展和短距离无线通信技术。 第二章讨论了天线的基本原理与主要性能指标，并对微带天线着重介绍，同 时，阐述了人体对电磁辐射吸收的基本测量技术。 第三章首先介绍了f d t d 在设计微带天线中的步骤，然后重点讲述了 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 x f d t d 电磁场仿真的算法理论及使用，最后对人体电磁环境进行了建模分析。 第四章针对平面倒f 天线进行仿真并结合仿真结果对可穿戴式网络特性进 行研究，然后对平面倒f 天线应用于可穿戴式网络产生的s a r 值进行估算。 第五章根据制作的一对平面倒f 天线实物进行特性测量，进一步对人体表面 环境下的天线进行实验测量，考虑了人体各种可能姿势及运动状态、衣着首饰等 各种可能影响信道特性的因素，对测量结果分析，作出信道估计。 第六章通过有限元法仿真并设计了c p d u w b 天线，并考虑了应用于可穿 戴式计算机时，在人体组织影响下的c p d u w b 天线的性能。 本文的创新点与成果主要在以下几个方面： i 提出了可穿戴式网络的概念，对可穿戴式网络的可穿戴式的天线在应该 考虑的人体表面环境以及使用中可能涉及的不同环境下工作时，人体各种可能姿 势、运动状态及衣着首饰等各种可能影响下的信道特性进行了测量，根据测量结 果进行了信道估计。 2 仿真了平面倒f 天线辐射情况下高保真人体模型中比吸收率的分布并对 仿真结果进行了深入的分析，根据仿真结果得出，s a p , 值最高的区域位于天线 附件的人体体表，1 0 克组织平均比吸收率最高的三种组织是皮肤、肌肉和血液， 在天线射频功率1 0 0 m w 的情况下是人体的比吸收率是符合最新的安全标准的。 3 对c p d - u w b 天线仿真，并与在人体组织影响下的c p d - u w b 天线的仿 真做了对比，结果说明c p d - - u w b 天线可以应用于可穿戴式计算机和可穿戴式 网络。 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章天线主要技术指标、设计基础与测量技术 2 1 天线的理论基础与主要技术指标 天线是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置，是无 线电通信系统中必不可少的部分，其性能的优良与否，往往在无线通信中起到事 倍功半的作用。不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下的无线 通信对于天线的特性、设计有着完全不同的要求【7 1 。天线是无线移动网和无线局 域网厢来构成网络的连接点，天线的结构和性能决定了无线网络的制式、能开展 的业务和网络的性能。 在3 0 m h z 频率以下的长、中、短波段，一般用导线构成天线，有t 形、倒 l 形、环形、菱形、鱼骨形、笼形天线等。而在3 0 m h z 以上的微波波段，亦是 现在大多数无线通讯技术运行的波段上，有用金属板或网制成喇叭天线、抛物面 天线、金属面上开槽的裂缝天线、金属或介质条排成的透镜天线等。但是，对于 移动通信和移动无线网络，通常还是采用全向的鞭状天线。 天线的设计根据实际使用情况可能千变万化，没有固定的模式和程式化的的 设计理论。但是，无论何种天线，其最主要的功能在于转换传播介质中( 通常是 空气介质) 辐射电磁波能量与收发机所送出或收到的能量。在能量转换的过程中， 会出现有收发机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。在无线通讯系统 中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计以使得收发机、天线以及 传播介质之间形成一个连续的能量传输路径，如此便可以顺利的将发射机的能量 藉由发射天线辐射到传播介质中，并藉由接收天线将辐射电磁波的能量传送到接 收机端。为了能够说明这两个接口的各项特性，以下就天线参数的定义加以说明。 2 1 1 增益 增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐 射方向上的辐射功率密度s 。和理想无方向性天线的辐射功率密度so 之比。它是 综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，天线增益与方向图紧密相关，表 北京邮电大学硕士研究生学位论文 示天线辐射能量的集中程度，高增益意味着高方向性和窄的波瓣宽度。简单地说， 在同等条件下，增益越高，电波方向性越强并且传播的距离越远。 2 1 2 方向图 天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡 量天线方向性通常使用方向图，天线方向图用来描述电( 磁) 场强度在空间的分 布情况，常用般功率波瓣宽度来表示方向图的宽度。在水平面上，辐射与接收无 最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全 向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台站。另外，我们可以 采用一些技术使全向天线略带方向性，根据使用现场地形的需要使方向图成为椭 圆形、扇形、心形等，这样使天线的应用就更加灵活，效率更加提高。定向天线 由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于 远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰力比较强。 2 1 3 极化特性 天线极化特性表示天线在最大辐射方向上电场的极化形式( 电场矢量的取 向) ，可分为线极化、圆极化和椭圆极化。所谓极化，就是电磁波的电场分量在 传播时，是与大地平行的还是垂直的，这样，便有了水平极化和垂直极化之分。 2 1 4 输入阻抗( h l p u ti m p e d a n c e ) 天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在 阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻 抗值定义为输入阻抗，即天线的输入阻抗为输入端的电压和电流之比。输入阻抗 具有电阻分量r i n 和电抗分量x j 。，l i l a z i = p q + j x i 。电抗分量的存在会减少天线从 馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使 天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻 抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长 有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为z - n = 7 3 1 + _ ，4 2 5 ( 欧) 。当把其长度缩短( 3 5 ) 时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输 入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为z i 。= 7 3 1 ( 欧) ，( 标称7 5 欧) 。严格的说， l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻 抗为半波对称振子的四倍，即z i 。= 2 8 0 ( 欧) ，( 标称3 0 0 欧) 。有趣的是，对于 任一天线，人们总可通过天线阻抗调试。在要求的工作频率范围内，使输入阻抗 的虚部很小且实部相当接近5 0 欧，从而使得天线的输入阻抗为z 。n - r 。= 5 0 欧， 这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。 天线的输入阻抗与5 0 欧的馈线系统相匹配可以用几种方式表述，参见式 ( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) ，即反射效率r ，回波损耗s 电压驻波比v s w r ， 而且它们之间可以进行转换： v s w r = 告= 坚1 0 0o s 翼11 一r 山i v s w r i ，= 一 昭厢r + 1 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 耻2 。- l 甙可v s 丽w 丽r + 1 ) ( 2 3 ) 任一复数值可以用实部和虚部或幅值和相位来表示。对于实际应用，实部信 息通常己足够。阻抗不匹配会引起接口间的驻波( 例如天线和接收器之间) ，可 能会引起测量误差。 2 1 ，s 驻波系数( v s w r ) 驻波系数是天线馈线上的一个特征参数，它反映了天线输入阻抗与馈线特性 阻抗的匹配程度。天线输入阻抗与馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入 射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。 它是检验馈线传输效率的依据。驻波比为沿线电压最大值和最小值的比，着重于 驻波与行波的关系。可以利用反射系数计算： 反射系数：反射波与入射波电压之比，o 反射系数 5 d b ( 5 ) 中心频率上的输入阻抗接近5 0 欧姆纯电阻 对于微带天线而言，带宽一般比较窄，需采用介电常数低，厚度较大的基片 才能达到5 相对带宽的设计要求。本例中，选取介电常数f ，= 3 5 ，长宽为 1 1 0 m m x 5 0 m m ，厚度为l m m 的f r 4 材料作为薄介质基片。介质基片顶面的倒f 型 金属贴片占据整个基片2 5 m m x 5 m m 的空间，是天线的主要辐射部分，馈点和接 地点如图4 1 所示，介质基片底面的接地板是一个与基片同样尺寸的矩形金属片， 在仿真中设定为厚度可忽略的优良电导体，并且设定一个与f 区域对应的矩形缺 口。图4 1 给出了仿真平面倒f 天线的二维平面结构图，参数设置如下： 啊= l m m ，h 2 = 4 r a m ，彤= 3 r a m ，w 2 = l m m ，s = 3 r a m ，d 1 = d 2 = 1 r a m ，= 2 3 r a m 。 图4 i 仿真平面倒f 天线的二维平面结构图 4 2 2 仿真过程 在x f d t d 软件平台上仿真平面倒f 天线，按照如图4 2 所示的流程图进行， 主要分两步：输入高斯激励仿真天线频率特性，输入单一频率( 2 4 5 g h z ) 正弦 信号仿真天线稳态特性。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 构造介质基片，接地板和金属贴什 嘲窜 保存图形文件( i d 3 儿儿 设定馈点，揍地点，2 , 4 5 0 h z 的正j 旒入和 设定馈点，接地点，高斯输入和边界条件， 边界条件以得到该频率下的稳态输出结果以得刭天线的频军特性 单掣 保存工程文件( f a d ) j l 计算 u l 检查结晃 l 图4 2 应用x f d t d 仿真平面倒f 天线流程图 在上述每一步中都可采用动态网格和非动态网格技术实现。网格是x f d t d 的计算单元，网格划分得越精细，则仿真精度越高，与此同时我们不得不付出更 多的仿真时间和计算机资源的代价。在一些情况下，特别针对规模较大的问题， 使用动态网格技术更具优势。它的主要思想是在几何图形和电磁场行为需要高精 度结果处设置精细网格，在其他区域设置较粗糙网格，从而在不影响仿真精度的 前提下减少网格数目和仿真时间。 利用动态网格，在结构细致的f 贴片的位置，采用精细网格，网格的精度为 0 2 毫米，对应于2 4 g h z 在自由空间的波长的1 6 2 5 ，如图4 3 所示。在整个的 计算空间采用一般网格，尺寸为5 毫米，对应于2 4 g h z 在自由空间波长的1 2 5 。 通过动态网格技术，可以大大减小了计算时间和存储空间的开销。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图4 - 3 仿真平面倒f 天线的动态网格 为了验证动态网格的有效性和精度，将仿真结果和通过非动态网格( 都是 o 2 毫米的细致网格) 得到的回波损耗和有限元方法得到的回波损耗进行了对比， 如图4 - 4 所示。通过对比可以发现，三种仿真方法得到的结果大体一致，这就证 明了动态网格计算的准确度和精度，因此我们只采用动态网格技术进行仿真。 频率1 6 h z l 图4 4 三种计算方式所得回波损耗对比 在仿真中，使用了廖氏吸收边界条件，相对于完全匹配层吸收边界有更快的 计算速度，激励源设置为高斯脉冲，可以通过一次仿真，经过快速傅立叶变换得 到整个频域的响应。 4 2 2 1 平面倒f 天线频率特性仿真 北京邮电大学硕士研究生学位论文 困舢5 输入阻抗特性 图4 6 电压驻波比变化图 北京邮电大学硕士研究生学位论文 o 23 f i e 4 崩印 一t 1 1 a 图4 - 7 s 1 1 ，s 2 i 变化图 4 2 2 22 4 5 g h z 单频点下平面倒f 天线性能仿真 图4 - 8h 平面方向图 3 5 0 0 4 9 帕 加 佗 侣 饽 加 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图4 - 9e 平面方向图 图4 - 1 0 天线稳态性能参敷 北京邮电大学硕上研究生学位论文 4 2 3 天线性能分析 现综合平面倒f 天线频率特性的仿真和2 4 5 g h z 单频点下平面倒f 天线性 能仿真结果分析天线性能是否符合参数指标： ( 1 ) 如图4 5 所示，在2 4 5 g h z 下，天线输入阻抗为5 0 4 一，1 3 3 欧姆， 即接近5 0 欧姆纯电阻，达到了与馈线特性电阻匹配的要求，保证 了天线具有优良性能，输入阻抗的频率特性曲线很陡，表明该平 面倒f 天线适合工作于中心频率上，当工作频率偏移中心频率时 天线特性将急剧下降。 ( 2 ) 如图4 - 6 、图4 7 所示，电压驻波比和回波损耗的最小值均出现在 2 4 5 g h z ，表明天线的中心频率为2 4 5 g h z 。 ( 3 ) 如图4 7 所示，回波损耗频率曲线在中心频率下有很大的下陷， 表明天线的返回损耗很小。 ( 4 )结合图4 8 和图4 - 9 ，e 平面和h 平面的方向图给出了平面倒f 天线的电磁辐射模式，即由介质基片上的倒f 区域向外辐射，e 平面只有个波瓣，波瓣宽度约4 5 0 ，最大增益接近0 4 d b i ；h 平 面严格意义上讲，除了一个主瓣还存在三个旁瓣，增益最大值接 近2 d b i ，这体现了微带天线性能的一个缺点，即波瓣较宽，增益 较低，但是较宽的波瓣是有利于处于可穿戴式网络下的模块之间 实现一对多甚至多对多通信的，而且微带天线制作阵元一致性好， 易于集成的特性，使得上述缺点容易克服。 ( 5 ) 如图4 1 0 所示，2 4 5 g h z 下天线的电压驻波比为1 3 l ，系统效率 为7 9 9 4 ，由此说明天线性能损耗小，效率高，性能优良。 最后，仿真出的平面倒f 天线系统效率7 9 9 4 ，是一副性能优良的微带天 线，可以满足可穿戴式网络的通信需求。 4 3 蓝牙可穿戴式网络产生的s a r 值估算 早在7 0 年代，一些国家即认识到电磁辐射的健康危害，制定了电磁辐射的 卫生标准。前苏联在进行大量的动物实验和流行病学调查的基础上于6 5 年提出 了电磁辐射卫生标准，8 4 年修订后的职业暴露限制为o 2m w h c m 2 ，美国国家 标准局( a n s i ) 在1 9 6 6 年制定的标准中，规定在任意连续6 分钟其平均功率密 度不应超过1 0r o w e r a 2 ，不分频段，可以长时间暴露。其后进行了几次修订， 1 9 8 2 年修订后的移动电话频段限值为1 5m w c m 2 ( f 3 0 0 ) ，1 9 8 8 年后a n s i 采 北京邮电大学硕士研究生学位论文 用电气和电子工程师协会( m e e ) 推荐的标准，1 9 9 2 年修订的移动电话、对讲 机使用频段标准限值分为职业暴露( c o n t r o l e d ) 和非职业暴露( u n c o n t r o l e d ) ， 非职业暴露的限值为o 2 2m w c m 2 ( f f l 5 0 0 ) 。可见各国标准之间存在非常大的 差异，以美国为代表的欧美标准系列，其限值越来越严格，前后相差几十倍，而 以前苏联为代表的东欧国家的标准，其限值也作了适当的调整，1 9 8 4 年修订的 标准与1 9 6 5 年的标准相比放宽了1 5 倍。 目前主要的电磁辐射标准是由国际电子电气工程师协会( i e e e ) 【1 9 1 和国际 非电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 【2 0 】提供了一般的射频暴露的限值。这类标准 给出了适用于任意通信系统任何天线的暴露限值。另一类标准例如e n 5 0 3 6 1 ， i e e e1 5 2 82 0 0 x 和正c 6 2 2 0 9 针对移动电话给出了专门的标准。欧美国家的s a r 限值也有很大差异美国采用的头部标准限值为：任意1 克组织，任意连续6 分钟 不得超过1 6 m w k g ；而欧洲大部分国家采用的s a r 限值为：任意1 0 克组织， 任意连续6 分钟不得超过2 0 m w k g ，换算成任意1 克组织比较，欧洲的s a r 限 值是美国限值的1 8 2 5 倍。试验证明，在头部或者躯干中每克组织暴露在8 w k g 的环境中超过1 5 分钟就能造成明显的伤害。因此，类似于其他的通信发射系统 刚 2 2 1 鲫，蓝牙系统的射频暴露情况也需要专门的研究。 电磁辐射生物效应国内的研究 2 4 1 口5 】 2 6 1 2 7 1 集中在人脑中各向异性场的计算 和通过椭球体近似人脑来求解其中的场分布，一方面缺乏统一的标准化的人体模 型，另一方面对于特定通信系统的生物效应缺乏专门的研究。本文就只是在美国 标准人的基础上仿真了蓝牙系统对人体的影响。、 水是一种电介质，在生物体中，水中含量最丰富的成分，它几乎占人体体重 的6 0 。根据含水量的多少，将生物组织分为两种： ( 1 ) 含水量在7 0 以上的组织，如皮肤组织、肌肉、肝脏、肾脏、心脏等， 频率在1 0 0 1 0 0 0 m h z ，其介电常数为5 0 7 0 ，电阻率为1 0 0 0 c m 。 ( 2 ) 含水量在7 0 以下的组织，如脂肪、骨骼、骨髓等其介电常数为4 8 ， 电阻率为6 0 0 3 5 0 0 d c m 。这类物质含水量少，对电磁辐射能量吸收少。 由于组织的