手臂电磁通道特征研究_王宜颖.pdf

王宜颖，周成贵，曾昭锋，等.手臂电磁通道特征研究J.电波科学学报，2023，38（1）：103-107.DOI:10.12265/j.cjors.2022014WANG Y Y,ZHOU C G,ZENG Z F,et al.Investigation of electromagnetic channel characteristics for human armJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：103-107.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022014手臂电磁通道特征研究王宜颖周成贵曾昭锋范友康潘旺华*（桂林电子科技大学,桂林 541004）摘要 依据现有研究结果和未来体域网发展趋势研究了手臂电磁通道特征.将两个同样工作在 5.8 GHz、尺寸为 4 cm4 cm 的全织物贴片天线作为收发两端，研究竖直状态下手臂的传输特征；再依据自然行走状态，模拟前摆最大值位置、自然下垂和后摆最大值位置手臂的动态过程.通过对天线在空气和手臂不同位置上传输特征的对比分析，确定表面波对传输特征的影响，并采用曲线拟合方法获得相对路径损耗预测模型；通过对比手臂三种自然状态的实测结果，建立路径损耗的预测模型.研究表明，对自然下垂状态下的预测模型进行简单的修正即可较好地预测前摆和后摆时的路径损耗.关键词体域网；电波传播；贴片天线；手臂电磁通道特征；曲线拟合中图分类号TN011文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0103-05DOI 10.12265/j.cjors.2022014Investigation of electromagnetic channel characteristics for human armWANG YiyingZHOU ChengguiZENG ZhaofengFAN YoukangPAN Wanghua*（Guilin University of Electronic and Technology,Guilin 541004,China）AbstractDepending on the present researches and the trend of future body area network(BAN),this paperinvestigates the electromagnetic channel characteristics for human arm.Two same all-fabric patch antennas,working at5.8 GHz and with the size of 4 cm4 cm,are taken as the transmitted and received antennas to study the transmissioncharacteristics in the upright situation.And three classic positions are chosen to mimic the activity of arm in the processof natural walk,they are the maximum position of front swing,natural sagging,and maximum for the back swing.Fromthe comparisons of different positions between the measured results in the air and those of on arm,the influence ofsurface wave is determined,and its predictive model is derived for the relative path loss by means of mathematicalfitting method.The corresponding path loss models are also built for the above natural positions.The results show thatthe simple minor corrections for the path loss model of natural sagging can be used to predict the channel characteristicsfor the other two situations.Keywordsbody area network；wave propagation；patch antenna；electromagnetic channel characteristic of arm；curve fitting 引言现在已经有很多可穿戴设备正在被应用到我们的日常生活中，并提供了诸多便利.可以预见，随着可穿戴技术的发展，体域网应用将更加成熟和完善，特别是 5G 和 6G 通信技术的需求又为其发展提供了一个新的契机.作为体域网组网的载体，人体的电磁特性也被广泛研究，主要集中在体表传输的通道特征的实验研究和统计分析1-6、动态特征分析7-10、植入式通道特征分析11以及相应的等效理论分析12等.在这些研究中，文献 1-3,8 针对超带宽频段，而文献 4-7,10 收稿日期：2022-01-19资助项目：广西研究生教育创新计划项目(YCSW2022292)；国家自然科学基金(NSF12161025)通信作者：潘旺华 E-mail:pwh2008_ 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 则是针对某些关心的窄频段研究了人体通道特征，将发射天线放置在躯干的某个部分，将接收天线分别放置在四肢、头部、背部等部分，通过对测量数据等的统计分析得到传输通道的特征.为了更好地研究动态人体通道特征，文献 9 采用了动作捕捉技术，对手臂摆动时的体表电波传播特征进行了研究；文献 10 聚焦于人体对信号频率、传感器位置和分类算法的影响来实施人体活动检测.另外，人体活动时信号沿着体表传输必然会出现遮挡情况，所以文献 13 通过检验通道脉冲响应研究了阴影效应对超宽带频段的动态体表通道特征的影响.上述研究基本上集中在实验研究或者统计分析等方面，但缺乏理论分析.而文献 14 通过调整人体组织仿真模型的配比对体表传输通道特征进行了研究；文献12 在低于 150 MHz 的频段将手臂等效成圆柱体进行了理论分析.文献 15 基于未来体域网的发展趋势，提出了体域网无线能量传输的概念.将发射天线放置在手肘处，拟将此处运动产生的动能通过无线方式给上臂处的通信天线供电.为了能更精准地判断电磁信号在手臂上的传播情况，体域网无线能量技术的发展需要我们对整个手臂进行彻底深入的研究.因此，本文通过实验方式对静止状态下 5.8 GHz的手臂通道特征进行研究，并依据不同间距所得到的测量数据与空气中的损耗对比得到相对路径损耗模型；再选取手臂活动时三个具有代表性的状态模拟动态过程，研究其电波传播规律并得出预测模型.1 传输通道测量 1.1 全织物天线由于研究的是手臂的传输通道特征，故选取贴片天线作为收发电磁波的载体.将贴片天线放置在手臂外侧后，其主要辐射方向垂直于人体，最大程度上保证两个天线基本上不存在反射波和非常小的直射波，收发天线之间主要靠截断地面后的表面波产生相互影响.针对所研究工业、科学和医疗频段的 5.8 GHz频段，本文设计了全织物贴片天线.它的衬底层由100%纯棉布料组成，其厚度为 1.5 mm，测量所得的相对介电常数为 1.6、损耗角正切值为 0.02；地面层和金属层都采用电阻率小于 0.05 m 的金属镍和铜的复合物形成的导电织物.为了更有效地研究手臂的通道特征，所设计的贴片天线的馈电采用微带线内插方式，即将馈电用的 SMA 接头放置在天线一侧进行馈电，这样可以使天线尽可能地接近皮肤.依据上述分析，得到的天线仿真模型如图 1 所示，最终的天线参数如表 1 所示.相应的天线实物展示在图 2 中，这里为了更好地确保天线馈电的稳定性，在地面和微带线的上面均添加了较小面积的铜胶带.将加工出来的两个天线实物的实测结果和仿真结果对比展示在图 3 中.可以看出，两个天线的谐振频率和仿真结果非常吻合，虽然测量带宽较仿真带宽有了明显增加，但并不影响后续对所关心频率的测量.此外，测量带宽比仿真的更宽也是织物天线常见的特征.l1w1l2w3w2aa图 1 天线模型Fig.1 Antenna model 表 1 天线参数列表Tab.1 Antenna parameter list参数aw1w2w3l1l2数值/mm4025.55118.95.27 图 2 天线实物Fig.2 Antenna prototype 5.05.2仿真天线 1 实测天线 2 实测5.45.65.86.06.26.435302520151050S11/dB频率/GHz图 3 仿真和测量 S11的对比Fig.3 Comparison of simulated and measured S11 1.2 测量设置测量时，选取暗室环境以消除外界信号的影响，被测量的对象是一名身高为 1.64 m、体重为 62 kg 的 104电波科学学报第 38 卷中国 24 岁男性青年.进行相对路径损耗测试分析时将手臂向下竖直放置，如图 4 所示.测量时，将发射天线固定在前臂外侧靠近手腕约 1 cm 处，然后从间距 10 cm 前臂外侧处开始将接收天线每隔2 cm 向上臂移动，测量相应的传输系数，直到靠近肩部的最大距离为 40 cm 处为止.40 cm图 4 相对路径损耗测试场景Fig.4 Measurement of relative path loss 模拟动态分布的三种姿势极值位置展示在图 5中，测试时也是采取与竖直状态同样的方法.其中，图 5(a)展示的是手臂自然下垂状态，这与图 4 所示的竖直状态有些许差别；图 5(b)是手臂在自然行走时所能达到的前向最大值，而图 5(c)是后向最大值.(a)自然下垂(a)Natural sagging(b)前摆(b)Front swing(c)后摆(c)Back swing图 5 三种不同测试姿势Fig.5 Measurement of three different postures 2 通道特征分析依据上述设定，对竖直状态下手臂的相对路径损耗测量结果展示在图 6 中，用黑色方点描述.它是空气中的路径损耗与手臂上测量所得路径损耗的差值，可以看出手臂对传输的影响.012345600.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 实测 拟合相对路径损耗/dB10lg(d/d0)图 6 竖直状态下的相对路径损耗实测和拟合结果Fig.6 Measured relative path losses for upright situation 利用路径损耗计算公式LP,dB(d)=10nlgdd0（1）对图 6 中所得差值的数据进行曲线拟合，得到相对路径损耗指数 n=0.2，该值远小于空气中的损耗指数2，这是因为它表示的仅是手臂对路径损耗的影响，也即考虑表面波沿人体传播时的损耗结果.将曲线拟合结果与相对应的实测结果进行对比分析，结果如表 2 所示.可以看出，大部分预测结果和实测结果的差值都在 1 dB 以内，最大差值为 1.43 dB，出现在手肘稍微靠上的部位，即 d=22 cm 处；d=18 cm 处，由于刚好处于手肘凹陷部位，导致了与预测结果差别也较大，这两处均是由于皮肤褶皱部分较多引起的.另外两个最大值出现在 d=34 cm 和 d=36 cm 处，靠近测试最远距离，此时天线呈一定小角度的放置，