University of Oulu

Operation of IR-UWB WBAN antennas close to human tissues

Saved in:
Author: Tuovinen, Tommi
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Communications Engineering
Centre for Wireless Communications
Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526205922
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2014
Publish Date: 2014-10-21
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 31 October 2014, at 9 a.m.
Tutor: Professor Jari Iinatti
Doctor Markus Berg
Reviewer: Professor Ben Allen
Professor Zhi Ning Chen
Opponent: Associate Professor Christophe Roblin
Description:

Abstract

In this dissertation, the operation of planar impulse radio (IR) ultra wideband (UWB) antennas is examined for use in wireless body area networks (WBANs). The objective of the thesis is to consider electromagnetic phenomena due to coupling between an antenna and human body tissues and to analyse the challenges of wideband radiators. The aim is to understand the fundamental behaviour of an antenna in a WBAN, focusing on off-body and on-body communications. The thesis premises follow the international WBAN standard 802.15.6-2012 by the Institute of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) and the Federal Communications Commission’s (FCC) UWB regulations (3.1–10.6 GHz).

In the examinations, the frequency-dependent modelling of human tissues is considered. The impact of the variation of tissue layer thickness on the performance of an antenna is depicted. The demonstration of the impact of antenna input power is given in terms of generation of heat in tissues and specific absorption rate (SAR).

In order to theoretically contemplate the effect of reflections due to tissues on antenna patterns, the opportunities to influence polarization with an artificially anisotropic substrate are derived. With the proposed method, not earlier proposed for WBAN antennas, the smooth patterns without pattern minima can be achieved over the FCC UWB bandwidth. In addition, a theoretical two-path model is applied to the estimation of the antenna pattern shape close to tissues.

Various antenna parameters are explored as a function of the use distance to tissue surface to demonstrate the behaviour in the vicinity of a body. The size of the reactive near-field is an important factor for the evaluation of satisfactory on-body performance. The proportions of absorption, mismatch and body losses are analysed close to a body.

The connection between the complex input impedance and the dimensions of planar antennas is analysed by using lumped-element equivalent circuits. The impact of the actual width and length of the radiator on the impedance behaviour is presented for the first time. In addition, impedance is analysed in terms of capacitance, inductance and resistance within the reactive near-field for the first time. In order to understand the impact of tissues close to the antenna, the parasitic components for the stages in equivalents are proposed.


Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan laajakaistaisten impulssiradioantennien (IR-UWB) toimintaa langattomissa kehoverkoissa (WBAN). Työn tavoitteena on tarkastella antennin ja ihmiskudoksen kytkeytymisestä johtuvia sähkömagneettisia ilmiöitä ja analysoida laajakaistaisen säteilijän haasteet. Päämääränä on ymmärtää antennin suorituskyky kontekstissa ja kohdeympäristöksi on fokusoitu toiminta kehon pinnalla (on-body) ja keholta poispäin seuraavaan liityntäpisteeseen (off-body). Tutkimustyö pohjautuu IEEE802.15.6-2012-standardiin sekä FCC:n UWB -säännöksiin.

Väitöstyössä tarkastellaan taajuusriippuvan ihmiskudoksen mallintamista. Ihmiskudoskerrosten paksuuden vaikutusta antennin suorituskykyyn tutkitaan simuloimalla. Lisäksi tarkastellaan antennin syöttötehon vaikutusta kudoksen lämpiämisen ja tehon absorboitumisen näkökulmasta.

Kehon aiheuttamien heijastusten vaikutusta säteilykuvioihin tarkastellaan teoreettisesti ja lisäksi esitetään menetelmä vaikuttaa antennin summapolarisaation kautta säteilykuvion muotoon keinotekoisella epäisotrooppisella substraatilla. Ehdotetulla menetelmällä, mitä ei ole aiemmin kirjallisuudessa esitetty kehoantenneille, voidaan minimoida nollakohtia ja saavuttaa tasainen säteilykuvio FCC UWB -taajuuskaistan yli. Kaksitie-mallia sovelletaan säteilykuvion muodon ennustamiseen kehon läheisyydessä.

Useita antenniparametreja havainnollistetaan antennin käyttöetäisyyden funktiona ihmiskudoksesta. Antennin reaktiivisen lähikentän koko on tärkeä tekijä kehoantennille riittävän suorituskyvyn saavuttamiseksi. Absorptio-, epäsovitus- ja kehohäviöiden osuudet edelleen eritellään ja analysoidaan työssä.

Työssä tutkitaan kompleksisen syöttöimpedanssin ja antennin fyysisten mittojen yhteyttä hyödyntämällä erilliskomponenteilla muodostettuja vastinpiirejä. Ensimmäistä kertaa antennin käytännön leveyden ja pituuden muutos esitetään suhteessa impedanssikäyttäytymiseen. Impedanssin muutos analysoidaan kapasitanssin, induktanssin ja resistanssin funktiona antennin reaktiivisen lähikentän alueella. Jotta kudoksen vaikutus antennin läheisyydessä voitaan ottaa suunnittelussa huomioon, työssä esitetään tarvittavat parasiittiset komponentit vastinkytkentöjen sarja- ja rinnanasteisiin.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0592-2
ISBN Print: 978-952-62-0591-5
Issue: 505
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.