【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(jìng)賽、休閑娛樂(lè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(shí)提供實(shí)時(shí)體征監(jiān)測(cè)和定位功能,讓?xiě)?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(yuǎn)程實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)服務(wù),建立健康檔案用于疾病預(yù)測(cè)和輔助醫(yī)療,提高用戶(hù)的就醫(yī)效率并節(jié)約用戶(hù)的就醫(yī)成本。在上述智能穿戴設(shè)備中,天線(xiàn)是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線(xiàn)通信的重要元件,它讓用戶(hù)的行動(dòng)免受傳輸線(xiàn)的干擾。在人體環(huán)境下建立的通信網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為人體域通信系統(tǒng),工作于人體域通信系統(tǒng)的天線(xiàn)被稱(chēng)為可穿戴天線(xiàn)。可穿戴天線(xiàn)需要滿(mǎn)足佩戴舒適性強(qiáng)、質(zhì)量輕、隱蔽性好以及不干擾用戶(hù)正�；顒�(dòng)的要求,因此,輕便柔軟且價(jià)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(xiàn)的理想選擇。柔性共形紡織天線(xiàn)的設(shè)計(jì)充滿(mǎn)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(xiàn)的性能容易受到紡織結(jié)構(gòu)的影響。其次,紡織天線(xiàn)在人體輪廓上容易彎曲變形,從而影響天線(xiàn)的性能。最后,人體具備高介電常數(shù)和介電損耗,紡織天線(xiàn)在人體域環(huán)境中易受影響,造成天線(xiàn)阻抗失配及損耗增大等問(wèn)題。因此,本文在構(gòu)建新型紡織天線(xiàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了織物結(jié)構(gòu)、彎曲變形、以及人體環(huán)境對(duì)紡織天線(xiàn)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(xiàn)表面不勻?qū)μ炀�(xiàn)性能的影響,本文設(shè)計(jì)了較為簡(jiǎn)單的紡織偶極子天線(xiàn)。天線(xiàn)的工作頻率為915 MHz,諧振點(diǎn)處的實(shí)測(cè)S_(11)值為-15.3 dB,實(shí)測(cè)增益為3.4 dBi,實(shí)測(cè)方向圖表現(xiàn)出典型的全向輻射特性。天線(xiàn)的實(shí)測(cè)性能與仿真性能有良好的一致性,表明紡織偶極子天線(xiàn)的性能理想。為了得到天線(xiàn)表面不勻的數(shù)學(xué)表征,研究中根據(jù)天線(xiàn)基底的縫合結(jié)構(gòu)和導(dǎo)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(xiàn)表面模型。利用模型即可根據(jù)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出天線(xiàn)的表面均方根誤差,從而根據(jù)天線(xiàn)表面均方根誤差與適用頻率之間的關(guān)系,推導(dǎo)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(xiàn)的輻射有全向性,為了減小天線(xiàn)指向人體的輻射,本文繼續(xù)設(shè)計(jì)并研究了背瓣小、前瓣大的紡織微帶天線(xiàn)。天線(xiàn)被嵌入三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu)中以實(shí)現(xiàn)較高的紡織共形程度。為了探究三維機(jī)織天線(xiàn)導(dǎo)電層紡織結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)性能的影響,研究中設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)的單元微帶天線(xiàn),并制作了六個(gè)結(jié)構(gòu)不同的天線(xiàn)樣品。根據(jù)天線(xiàn)的表面電流分布,三維機(jī)織微帶天線(xiàn)導(dǎo)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(shí),電流要在經(jīng)紗和緯紗表面攀爬來(lái)跨越經(jīng)紗之間的空隙,從而導(dǎo)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(duì)三維機(jī)織微帶天線(xiàn)尤為重要。基于單元微帶天線(xiàn)的研究,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制作了含有兩個(gè)正交端口的雙極化微帶天線(xiàn)。天線(xiàn)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(xiàn)的兩端口能夠同時(shí)正常工作。(3)為了使天線(xiàn)滿(mǎn)足高速、大容量、低能耗的通信需求,本文基于三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu),繼續(xù)設(shè)計(jì)并制作了超寬帶天線(xiàn)。天線(xiàn)在2 GHz到13 GHz的頻率范圍內(nèi)有10.3 GHz的-10 dB實(shí)測(cè)帶寬,帶內(nèi)增益在正常范圍之內(nèi),天線(xiàn)方向圖有全向輻射特性。人體在天線(xiàn)作用下的吸收輻射率仿真結(jié)果表明,天線(xiàn)的輻射在規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。天線(xiàn)在不同曲率下彎曲的性能測(cè)試結(jié)果表明,彎曲對(duì)超寬帶天線(xiàn)的性能影響有限,說(shuō)明天線(xiàn)在依照人體弧度產(chǎn)生合理彎曲時(shí)仍能保持相對(duì)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(xiàn)可以通過(guò)捕獲讀寫(xiě)器發(fā)射的信號(hào)中的能量工作,本文的最后一部分設(shè)計(jì)并制作了紡織圓極化無(wú)源RFID標(biāo)簽天線(xiàn)。天線(xiàn)在設(shè)計(jì)上使用了地板以減少人體環(huán)境對(duì)其性能的影響,同時(shí)在矩形輻射單元上利用切角和開(kāi)槽的方法使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化和小型化。圓極化RFID天線(xiàn)的實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)軸比分別為2.1 dB和2.2 dB,軸比最低處的實(shí)測(cè)讀寫(xiě)距離分別達(dá)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(xiàn)部分做了一系列研究。主要實(shí)現(xiàn)了紡織共形偶極子天線(xiàn)、三維機(jī)織共形微帶天線(xiàn)、三維機(jī)織共形超寬帶天線(xiàn)、以及紡織共形圓極化無(wú)源RFID天線(xiàn)四種天線(xiàn)形式。通過(guò)建模、計(jì)算、仿真等方法對(duì)上述天線(xiàn)的性能進(jìn)行了較為完整的對(duì)比和分析,同時(shí)詳細(xì)研究了紡織結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)性能的影響。上述工作在紡織天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)實(shí)時(shí)收集用戶(hù)自身環(huán)境和周身環(huán)境相關(guān)參數(shù)，或與用戶(hù)進(jìn)行人機(jī)交互，提高用戶(hù)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(guó)防軍事、工程輔助、體育競(jìng)賽、休閑娛樂(lè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。例如，美軍 2013 年在一次會(huì)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(kāi)發(fā)一種能夠提升士兵負(fù)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(duì)單個(gè)士兵進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位與追蹤，提高作戰(zhàn)效率的同時(shí)也為士兵的身份識(shí)別和搜救提供便利。集成于服裝中的通訊設(shè)備和天線(xiàn)有望取代舊式手持無(wú)線(xiàn)手臺(tái)，解放士兵的雙手同時(shí)提高作戰(zhàn)的隱蔽性。

東華大學(xué)博士學(xué)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(guò)6 億，是 1950 年的三倍，而預(yù)計(jì)到 2050 年，全球老齡人口將達(dá)到 21 億[4,5]。人口的老齡化加重了社會(huì)的公共服務(wù)和醫(yī)療負(fù)擔(dān)，，使用智能穿戴產(chǎn)品可以有效地減少老年人的護(hù)理和就醫(yī)成本。醫(yī)療中心可以通過(guò)智能穿戴設(shè)備對(duì)老年人的血壓、心率等生理指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生成個(gè)人健康檔案，為老年人提供有效的疾病預(yù)測(cè)和及時(shí)的治療[3,6,7]。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以通過(guò)人體域智能監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄老年人或者病人在室內(nèi)的活動(dòng)軌跡。例如，圖 1.1（b）中的無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝在人體域的多個(gè)標(biāo)簽天線(xiàn)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(hù)士可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TS106.6

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本文編號(hào)：2673616