面向可穿戴应用的分集天线设计理论的研究

Wireless Body Area Network (WBAN) has huge potentials of appellations in the fields of medical monitoring, caring of the elderly and children, physical training, rescue and relief work, battlefield supporting, and etc., thus it has attracted widely attentions from academia and industry. As a critical component in WBAN, wearable antennas plays a vital role in wirelessly data transmissions. Some initial studies have proved that the technologies of antenna diversity can significantly improve the speed and stability of communications in WBAN, however, limited by design theory, operating environments, fabrication methods and other reasons, the design level and performance of wearable diversity antennas have considerable disparity compared to the conventional diversity antennas.. This project proposes a deeply research for wearable diversity antennas. Considering the deformations caused by wearing and tight coupling to the human bodies, the radiated mechanism and diversity theory of flexible antennas will be analyzed. The technologies of metamaterials will be involved in the field of wearable applications, to greatly enhance the performance of wearable diversity antennas. The propagation model in WBAN systems will be also studied. A systematic method of analysis, design and evaluation will be proposed for wearable diversity antennas, which can guide the arrangement and selection of antennas in advanced WBAN, and provide fundamental guarantees for high speed and stable data transmission. This work will motivate WBAN to better serve the cause of national health.

无线体域网在医疗检测、老龄看护、运动保健、抢先救灾、以及战场保障等领域有极大的应用潜力，因而引起了学界和工业界的广泛关注。作为体域网中的关键器件，可穿戴天线承担着极为重要的数据无线传输的作用。一些初始研究表明，天线分集技术可以大幅度的提高体域网中通信的速度和稳定性，但受到设计理论、工作环境和加工方法等多方面因素的限制，当前可穿戴分集天线的设计水平和性能较传统分集天线仍然有较大差距。. 本项目计划对于可穿戴分集天线进行深入研究。在考虑佩戴引起的形变，以及与人体紧密耦合的情况下，分析柔性天线的辐射机理和分集理论。通过将超材料加载技术引入到可穿戴领域，大幅度提高可穿戴分集天线的性能。在体域网系统中分析传播模型，得到一套对于可穿戴分集天线有效的分析、设计以及评估方法，指导先进体域网中天线的布局与选型，为高速稳定的数据传输提供基础保障，使得体域网可以更好的为国民健康事业服务。

无线体域网在医疗检测、老龄看护、运动保健、抢先救灾、以及战场保障等领域有极大的应用潜力，因而引起了学界和工业界的广泛关注。作为体域网中的关键器件，可穿戴天线承担着极为重要的数据无线传输的作用。一些初始研究表明，天线分集技术可以大幅度地提高体域网中通信的速度和稳定性。但受到设计理论、工作环境和加工方法等多方面因素的限制，可穿戴分集天线的设计水平和性能较传统分集天线仍然有较大差距。.本项目针对可穿戴应用的分集天线设计理论开展研究。重点解决了以下科学问题和技术挑战。第一，使用超材料和人工表面等离激元理论，设计优化辐射体的工作模式，大幅减小了平面天线的尺寸和面积，扩展了工作带宽，提升了辐射效率；第二，研究了针对体域网和物联网的准全向辐射天线和圆极化天线设计方法，在一定程度上克服了由于佩戴者运动所引起的天线辐射方向图和极化失配，保证了体域网通信的稳定性和可靠性；第三，提出了多辐射体集成和单辐射体多模工作两种小型化分集天线设计方法，实现了平面化、超低剖面、大带宽的方向图分集天线拓扑结构，多端口辐射的模式相关性系数极低，可大幅提升体域网MIMO通信的容量和速率；第四，研究了应用于体域网和物联网远距离充电的多波束天线设计方法，利用无源波束形成网络控制充电发射天线的波束指向，使得波束扫描天线的系统结构和制作成本大大降低，辐射效率显著提升，为可穿戴设备的远距离充电提供了保障，建立了一条可穿戴设备长时间稳定工作的技术途径。.通过本项目的研究，提升了可穿戴天线的设计理论和技术方法，使得其物理尺寸、工作带宽、效率、增益和分集性能显著提升，为体域网中高速稳定的数据传输提供了基础的器件保障，并提供了一种使可穿戴设备佩戴时同步充电、长时间工作的技术方案。这些研究成果可助力可穿戴设备在我国国民健康事业中发挥更大的作用。