【摘要】：智能穿戴設(shè)備在健康醫(yī)療、軍事作戰(zhàn)、工程輔助、體育競賽、休閑娛樂等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。例如,智能作戰(zhàn)服使士兵的通訊操作更加便捷,同時提供實時體征監(jiān)測和定位功能,讓戰(zhàn)略部署和搜索救援工作變得更有效率。用于醫(yī)療領(lǐng)域的智能穿戴設(shè)備能為病患提供遠程實時健康監(jiān)測服務(wù),建立健康檔案用于疾病預測和輔助醫(yī)療,提高用戶的就醫(yī)效率并節(jié)約用戶的就醫(yī)成本。在上述智能穿戴設(shè)備中,天線是負責數(shù)據(jù)傳輸、無線通信的重要元件,它讓用戶的行動免受傳輸線的干擾。在人體環(huán)境下建立的通信網(wǎng)絡(luò)被稱為人體域通信系統(tǒng),工作于人體域通信系統(tǒng)的天線被稱為可穿戴天線�？纱┐魈炀�需要滿足佩戴舒適性強、質(zhì)量輕、隱蔽性好以及不干擾用戶正�；顒拥囊�,因此,輕便柔軟且價格合理的紡織材料成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬質(zhì)材料制作可穿戴天線的理想選擇。柔性共形紡織天線的設(shè)計充滿挑戰(zhàn)。首先,紡織材料屬于含有孔隙的非均質(zhì)材料,紡織天線的性能容易受到紡織結(jié)構(gòu)的影響。其次,紡織天線在人體輪廓上容易彎曲變形,從而影響天線的性能。最后,人體具備高介電常數(shù)和介電損耗,紡織天線在人體域環(huán)境中易受影響,造成天線阻抗失配及損耗增大等問題。因此,本文在構(gòu)建新型紡織天線的基礎(chǔ)上,進一步研究了織物結(jié)構(gòu)、彎曲變形、以及人體環(huán)境對紡織天線性能的影響。本文的研究包括以下四方面內(nèi)容:(1)首先,為了研究因紡織結(jié)構(gòu)造成的天線表面不勻?qū)μ炀�性能的影響,本文設(shè)計了較為簡單的紡織偶極子天線。天線的工作頻率為915 MHz,諧振點處的實測S_(11)值為-15.3 dB,實測增益為3.4 dBi,實測方向圖表現(xiàn)出典型的全向輻射特性。天線的實測性能與仿真性能有良好的一致性,表明紡織偶極子天線的性能理想。為了得到天線表面不勻的數(shù)學表征,研究中根據(jù)天線基底的縫合結(jié)構(gòu)和導電層中的平紋結(jié)構(gòu),建立了縫合結(jié)構(gòu)和平紋結(jié)構(gòu)的天線表面模型。利用模型即可根據(jù)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出天線的表面均方根誤差,從而根據(jù)天線表面均方根誤差與適用頻率之間的關(guān)系,推導出織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與適用頻率之間的關(guān)系。(2)偶極子天線的輻射有全向性,為了減小天線指向人體的輻射,本文繼續(xù)設(shè)計并研究了背瓣小、前瓣大的紡織微帶天線。天線被嵌入三維正交機織結(jié)構(gòu)中以實現(xiàn)較高的紡織共形程度。為了探究三維機織天線導電層紡織結(jié)構(gòu)對天線性能的影響,研究中設(shè)計了基礎(chǔ)的單元微帶天線,并制作了六個結(jié)構(gòu)不同的天線樣品。根據(jù)天線的表面電流分布,三維機織微帶天線導電層中電流向內(nèi)層經(jīng)紗表面聚集,經(jīng)紗垂直于饋電方向時,電流要在經(jīng)紗和緯紗表面攀爬來跨越經(jīng)紗之間的空隙,從而導致電流路徑增加,諧振頻率降低,輻射性能改變。因此,選擇合適的經(jīng)紗對三維機織微帶天線尤為重要�；趩卧炀�的研究,本文進一步設(shè)計并制作了含有兩個正交端口的雙極化微帶天線。天線兩端口間擁有102 MHz的公共帶寬,隔離度為17.2 dB,方向圖擁有典型的前瓣大、后瓣小的特征,增益在合理的范圍之內(nèi),表明天線的兩端口能夠同時正常工作。(3)為了使天線滿足高速、大容量、低能耗的通信需求,本文基于三維正交機織結(jié)構(gòu),繼續(xù)設(shè)計并制作了超寬帶天線。天線在2 GHz到13 GHz的頻率范圍內(nèi)有10.3 GHz的-10 dB實測帶寬,帶內(nèi)增益在正常范圍之內(nèi),天線方向圖有全向輻射特性。人體在天線作用下的吸收輻射率仿真結(jié)果表明,天線的輻射在規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。天線在不同曲率下彎曲的性能測試結(jié)果表明,彎曲對超寬帶天線的性能影響有限,說明天線在依照人體弧度產(chǎn)生合理彎曲時仍能保持相對穩(wěn)定可靠的性能。(4)智能穿戴設(shè)備的能量供給有限,為了使天線可以通過捕獲讀寫器發(fā)射的信號中的能量工作,本文的最后一部分設(shè)計并制作了紡織圓極化無源RFID標簽天線。天線在設(shè)計上使用了地板以減少人體環(huán)境對其性能的影響,同時在矩形輻射單元上利用切角和開槽的方法使天線實現(xiàn)圓極化和小型化。圓極化RFID天線的實測性能理想,在空氣中和人體上均有良好的阻抗匹配性能,空氣中和人體上的實測軸比分別為2.1 dB和2.2 dB,軸比最低處的實測讀寫距離分別達到9.1 m和8.4 m。綜上所述,本論文圍繞智能穿戴系統(tǒng)中的天線部分做了一系列研究。主要實現(xiàn)了紡織共形偶極子天線、三維機織共形微帶天線、三維機織共形超寬帶天線、以及紡織共形圓極化無源RFID天線四種天線形式。通過建模、計算、仿真等方法對上述天線的性能進行了較為完整的對比和分析,同時詳細研究了紡織結(jié)構(gòu)對天線性能的影響。上述工作在紡織天線領(lǐng)域?qū)儆谳^為系統(tǒng)和深入的研究,為后續(xù)紡織共形天線的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論支持。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 課題的研究背景與意義智能穿戴設(shè)備指工作于人體域環(huán)境，通過實時收集用戶自身環(huán)境和周身環(huán)境相關(guān)參數(shù)，或與用戶進行人機交互，提高用戶的工作效率和生活質(zhì)量的便攜設(shè)備，它在健康醫(yī)療、國防軍事、工程輔助、體育競賽、休閑娛樂等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。例如，美軍 2013 年在一次會議上提出戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作戰(zhàn)服（Tactical AssaultLight Operator Suit, TALOS）的概念，希望開發(fā)一種能夠提升士兵負重能力、能感知士兵狀態(tài)、并能防彈的新型智能作戰(zhàn)服[1]。集成了傳感器和智能材料的作戰(zhàn)服可以對單個士兵進行實時的定位與追蹤，提高作戰(zhàn)效率的同時也為士兵的身份識別和搜救提供便利。集成于服裝中的通訊設(shè)備和天線有望取代舊式手持無線手臺，解放士兵的雙手同時提高作戰(zhàn)的隱蔽性。

東華大學博士學位論文 第一章 緒論目前世界的人口結(jié)構(gòu)逐漸趨于老齡化，2000 年 60 歲以上的老年人已經(jīng)超過6 億，是 1950 年的三倍，而預計到 2050 年，全球老齡人口將達到 21 億[4,5]。人口的老齡化加重了社會的公共服務(wù)和醫(yī)療負擔，，使用智能穿戴產(chǎn)品可以有效地減少老年人的護理和就醫(yī)成本。醫(yī)療中心可以通過智能穿戴設(shè)備對老年人的血壓、心率等生理指標進行遠程實時監(jiān)測，生成個人健康檔案，為老年人提供有效的疾病預測和及時的治療[3,6,7]。遠程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)還可以通過人體域智能監(jiān)測設(shè)備記錄老年人或者病人在室內(nèi)的活動軌跡。例如，圖 1.1（b）中的無線智能監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在人體域的多個標簽天線記錄病人的睡眠情況，如果病人存在起夜頻繁或掉落床鋪等異常情況，醫(yī)生和護士可以及時發(fā)現(xiàn)。
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TS106.6

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本文編號：2673616