發(fā)布時間：2020-07-03 23:31

【摘要】：“智慧醫(yī)療”能夠向用戶提供實時健康監(jiān)測、遠程診斷和治療、健康預測等個性化、智能化醫(yī)療服務,改變人們的健康管理方式,有效緩解醫(yī)療資源匱乏的現(xiàn)狀,具有廣闊的市場前景。通過由穿戴式或植入式傳感器和便攜式設備建立的短距離、低功耗、高可靠性的無線通信網絡,無線體域網(WBAN)能夠以非侵入的方式完成對人體重要生理指標的采集、處理和通信,并實時接收用戶和醫(yī)護人員的反饋。無線體域網是實現(xiàn)“智慧醫(yī)療”的關鍵,受到國內外研究學者越來越多的關注。本論文圍繞無線體域網展開,選取可穿戴天線和容性耦合人體通信(HBC)技術兩個方面進行深入研究。首先,在小型化的基礎上,針對可穿戴天線在圓極化、多頻段、多功能和安全性等方面的需求和技術挑戰(zhàn),研究了貼片耦合饋電的圓極化激勵方法、微帶天線的對稱縮減方法和基于疊層微帶結構的雙頻段雙模天線設計方法,成功研發(fā)了多款結構新穎、性能優(yōu)異的可穿戴天線。其次,容性耦合HBC技術是一項新興的以人體為傳輸媒介的非射頻無線通信技術,具有傳統(tǒng)射頻無線通信技術難以比擬的損耗低、傳輸距離遠、穩(wěn)定性高、安全性高等優(yōu)點,然而其研究面臨著測試方案不統(tǒng)一、建模與仿真難度大、電路參數(shù)難以準確提取等突出問題,且缺乏系統(tǒng)性研究。針對上述難題本論文搭建了基于準真實應用場景的測試系統(tǒng),并采用全波分析和等效電路模型方法對容性z1合HBC技術的工作原理、傳輸能力以及電極結構和環(huán)境的影響展開系統(tǒng)深入的研究。本論文主要創(chuàng)新性研究成果概括如下:1.充分考慮人體環(huán)境進行小型化圓極化可穿戴天線研究,創(chuàng)新性地提出了貼片耦合饋電的圓極化激勵方法,克服了傳統(tǒng)四端口正交移相饋電網絡結構復雜的缺點,成功研制了一款平面型四臂倒L可穿戴天線,實現(xiàn)了小型化和低剖面的同時,保留了四臂螺旋天線波束寬和背向輻射低的優(yōu)點。該天線電尺寸僅為0.19λ0×0.19λ0×0.04λ0,并在穿戴環(huán)境中充分考察了天線性能、比吸收率(SAR)和天線在離體通信鏈路中的通信能力。與已發(fā)表文獻相比,所設計的天線具有突出的性能優(yōu)勢。2.針對可穿戴天線的小型化和多頻段需求,研究了微帶天線的對稱縮減方法,創(chuàng)新性地利用圓形微帶天線的結構和模式對稱性將天線面積縮減至原有面積的1/8,并采用開槽方式激勵高頻諧振模式,同時實現(xiàn)了天線小型化和雙頻段特性,具有結構簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3.針對可穿戴天線研究中多頻段、多功能的技術難點,提出了基于疊層微帶結構的雙頻段雙模天線設計方法,研究了通過開槽降低疊層貼片間耦合以保持疊層貼片不同的頻率和方向圖特性的關鍵技術,成功研制了一款新型雙頻段雙模天線。該天線僅需要一個饋電端口,能同時產生邊射方向圖和垂直極化全向性方向圖,滿足離體通信和體表通信鏈路的不同需求,具有寬帶、低剖面、全向性好和輻射特性穩(wěn)定等優(yōu)點。4.在上述設計方法的基礎上進一步提出了改進方案,利用諧振于單極型貼片模式的方形貼片偏心耦合饋電和中心短路的結構特點,降低了其與上層切角方形貼片間的耦合,同時實現(xiàn)了小型化,并采用同軸-微帶過渡結構以降低穿著的不適感。所研制天線的電尺寸僅為0.18λ0×0.18λ0×0.04λ0,具有小型化、雙頻段、雙模和雙極化的優(yōu)點,可以同時輻射圓極化邊射方向圖和垂直極化全向性方向圖,并在離體通信和體表通信鏈路中評估了天線性能、SAR和通信能力,與已發(fā)表文獻相比,具有突出的性能優(yōu)勢。5.綜合運用實驗測試、數(shù)值仿真和等效電路模型方法對容性耦合HBC技術進行系統(tǒng)深入的研究。首先搭建了基于準真實應用場景的新型測試系統(tǒng),并與傳統(tǒng)測試方案進行對比驗證,然后建立了完整的數(shù)值模型進行全波分析,研究了容性耦合HBC系統(tǒng)的路徑增益、電場分布特性以及電極結構的影響�；趯﹄妶龇植继匦缘姆治鎏岢隽说刃щ娐纺Ｐ�,并充分考慮人體組織的影響采用有限元仿真準確提取了耦合電容參數(shù)值,最后研究了容性耦合HBC技術的通信能力,并探究了環(huán)境對傳輸特性的影響,解決了容性耦合HBC中測試系統(tǒng)搭建、建模與仿真、等效電路提出與參數(shù)提取等難題。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN92
【圖文】：

無線體域網（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｂｏｄｙ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＷＢＡＮ）是通過穿戴于體表或植入于體內的逡逑傳感器和便攜式設備建立的用于醫(yī)療、消費電子和個人娛樂等領域中的短距離、低功耗、逡逑高可靠性無線通信網絡Ｗ。當前ＷＢＡＮ技術最主要的應用領域是醫(yī)療健康服務，圖１．１給逡逑出了基于ＷＢＡＮ的醫(yī)療系統(tǒng)的基本架構［４］，主要包含三個層次：逡逑（１）第一層為ＷＢＡＮ，用于實現(xiàn)分布于用戶身體表面或體內的具有特定功能的傳感器逡逑節(jié)點和設備間的互聯(lián)。在這一層中，傳感器將采集到的用戶的各項生理指標發(fā)送到匯聚逡逑節(jié)點或便攜式設備。通常，ＷＢＡＮ能覆蓋人體附近２米左右范圍。逡逑Ｐ）第二層主要用于在第一層中的匯聚節(jié)點或便攜式設備和外部網絡之間建立無線逡逑通信，從而在更大范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享，接入方式可以通過無線網絡和移動逡逑網絡等。經過第二層，該醫(yī)療系統(tǒng)的覆蓋范圍可以擴展至上百米。逡逑（３）第三層包括通過互聯(lián)網連接的提供各種應用服務的遠程服務器、醫(yī)護人員、醫(yī)院逡逑和救護設備。逡逑１逡逑

ＷＢＡＮ中的體內節(jié)點都屬于普通節(jié)點，而體表節(jié)點中功能較強大的部分節(jié)點可以充當匯逡逑聚節(jié)點。逡逑如圖１．２所示，ＷＢＡＮ中通信鏈路按照節(jié)點的位置可以分為三類：逡逑（１）

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本文編號：2740322