【摘要】：“智慧醫(yī)療”能夠向用戶(hù)提供實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷和治療、健康預(yù)測(cè)等個(gè)性化、智能化醫(yī)療服務(wù),改變?nèi)藗兊慕】倒芾矸绞?有效緩解醫(yī)療資源匱乏的現(xiàn)狀,具有廣闊的市場(chǎng)前景。通過(guò)由穿戴式或植入式傳感器和便攜式設(shè)備建立的短距離、低功耗、高可靠性的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò),無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)(WBAN)能夠以非侵入的方式完成對(duì)人體重要生理指標(biāo)的采集、處理和通信,并實(shí)時(shí)接收用戶(hù)和醫(yī)護(hù)人員的反饋。無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)“智慧醫(yī)療”的關(guān)鍵,受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。本論文圍繞無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)展開(kāi),選取可穿戴天線(xiàn)和容性耦合人體通信(HBC)技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究。首先,在小型化的基礎(chǔ)上,針對(duì)可穿戴天線(xiàn)在圓極化、多頻段、多功能和安全性等方面的需求和技術(shù)挑戰(zhàn),研究了貼片耦合饋電的圓極化激勵(lì)方法、微帶天線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)縮減方法和基于疊層微帶結(jié)構(gòu)的雙頻段雙模天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法,成功研發(fā)了多款結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異的可穿戴天線(xiàn)。其次,容性耦合HBC技術(shù)是一項(xiàng)新興的以人體為傳輸媒介的非射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),具有傳統(tǒng)射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)難以比擬的損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高、安全性高等優(yōu)點(diǎn),然而其研究面臨著測(cè)試方案不統(tǒng)一、建模與仿真難度大、電路參數(shù)難以準(zhǔn)確提取等突出問(wèn)題,且缺乏系統(tǒng)性研究。針對(duì)上述難題本論文搭建了基于準(zhǔn)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試系統(tǒng),并采用全波分析和等效電路模型方法對(duì)容性z1合HBC技術(shù)的工作原理、傳輸能力以及電極結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響展開(kāi)系統(tǒng)深入的研究。本論文主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果概括如下:1.充分考慮人體環(huán)境進(jìn)行小型化圓極化可穿戴天線(xiàn)研究,創(chuàng)新性地提出了貼片耦合饋電的圓極化激勵(lì)方法,克服了傳統(tǒng)四端口正交移相饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn),成功研制了一款平面型四臂倒L可穿戴天線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了小型化和低剖面的同時(shí),保留了四臂螺旋天線(xiàn)波束寬和背向輻射低的優(yōu)點(diǎn)。該天線(xiàn)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(xiàn)性能、比吸收率(SAR)和天線(xiàn)在離體通信鏈路中的通信能力。與已發(fā)表文獻(xiàn)相比,所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)具有突出的性能優(yōu)勢(shì)。2.針對(duì)可穿戴天線(xiàn)的小型化和多頻段需求,研究了微帶天線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)縮減方法,創(chuàng)新性地利用圓形微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和模式對(duì)稱(chēng)性將天線(xiàn)面積縮減至原有面積的1/8,并采用開(kāi)槽方式激勵(lì)高頻諧振模式,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)小型化和雙頻段特性,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。3.針對(duì)可穿戴天線(xiàn)研究中多頻段、多功能的技術(shù)難點(diǎn),提出了基于疊層微帶結(jié)構(gòu)的雙頻段雙模天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法,研究了通過(guò)開(kāi)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(guān)鍵技術(shù),成功研制了一款新型雙頻段雙模天線(xiàn)。該天線(xiàn)僅需要一個(gè)饋電端口,能同時(shí)產(chǎn)生邊射方向圖和垂直極化全向性方向圖,滿(mǎn)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(diǎn)。4.在上述設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了改進(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn),降低了其與上層切角方形貼片間的耦合,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小型化,并采用同軸-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)以降低穿著的不適感。所研制天線(xiàn)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(diǎn),可以同時(shí)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(píng)估了天線(xiàn)性能、SAR和通信能力,與已發(fā)表文獻(xiàn)相比,具有突出的性能優(yōu)勢(shì)。5.綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值仿真和等效電路模型方法對(duì)容性耦合HBC技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。首先搭建了基于準(zhǔn)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的新型測(cè)試系統(tǒng),并與傳統(tǒng)測(cè)試方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,然后建立了完整的數(shù)值模型進(jìn)行全波分析,研究了容性耦合HBC系統(tǒng)的路徑增益、電場(chǎng)分布特性以及電極結(jié)構(gòu)的影響�；趯�(duì)電場(chǎng)分布特性的分析提出了等效電路模型,并充分考慮人體組織的影響采用有限元仿真準(zhǔn)確提取了耦合電容參數(shù)值,最后研究了容性耦合HBC技術(shù)的通信能力,并探究了環(huán)境對(duì)傳輸特性的影響,解決了容性耦合HBC中測(cè)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(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN92
【圖文】：

無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｂｏｄｙ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＷＢＡＮ）是通過(guò)穿戴于體表或植入于體內(nèi)的逡逑傳感器和便攜式設(shè)備建立的用于醫(yī)療、消費(fèi)電子和個(gè)人娛樂(lè)等領(lǐng)域中的短距離、低功耗、逡逑高可靠性無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)Ｗ。當(dāng)前ＷＢＡＮ技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療健康服務(wù)，圖１．１給逡逑出了基于ＷＢＡＮ的醫(yī)療系統(tǒng)的基本架構(gòu)［４］，主要包含三個(gè)層次：逡逑（１）第一層為ＷＢＡＮ，用于實(shí)現(xiàn)分布于用戶(hù)身體表面或體內(nèi)的具有特定功能的傳感器逡逑節(jié)點(diǎn)和設(shè)備間的互聯(lián)。在這一層中，傳感器將采集到的用戶(hù)的各項(xiàng)生理指標(biāo)發(fā)送到匯聚逡逑節(jié)點(diǎn)或便攜式設(shè)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(diǎn)或便攜式設(shè)備和外部網(wǎng)絡(luò)之間建立無(wú)線(xiàn)逡逑通信，從而在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享，接入方式可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)逡逑網(wǎng)絡(luò)等。經(jīng)過(guò)第二層，該醫(yī)療系統(tǒng)的覆蓋范圍可以擴(kuò)展至上百米。逡逑（３）第三層包括通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接的提供各種應(yīng)用服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器、醫(yī)護(hù)人員、醫(yī)院逡逑和救護(hù)設(shè)備。逡逑１逡逑

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

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本文編號(hào)：2740322