Body-centric wireless communications: wearable antennas, channel modelling, and near-field antenna measurements

Abstract

This thesis provides novel contribution to the field of body-centric wireless communications (BCWC) with the development of a measurement methodology for wearable antenna characterisation on the human body, the implementation of fully-textile wearable antennas and the on-body channel modelling considering different antenna types and user’s dynamic effects. More specifically, a measurement methodology is developed for characterising wearable antennas on different locations of the human body. A cylindrical near-field (CNF) technique is employed, which facilitates wearable antenna measurements on a full-body solid anthropomorphic mannequin (SAM) phantom. This technique allows the fast extraction of the full spherical radiation pattern and the corresponding radiation efficiency, which is an important parameter for optimising wearable system design. It appears as a cost- effective and easy to implement solution that does not require expensive positioning systems to rotate the phantom, in contrast to conventional roll-over-azimuth far-field systems. The CNF measurement method is evaluated by using a printed dipole antenna in vertical and horizontal polarisation in three on-body locations, namely on chest, head and shoulder, at 2.4 and 5.8 GHz ISM band. Moreover, two textile wearable patch antennas are examined with distinct radiation characteristics, which are suitable for on-body and off-body communications. Apart from the 3D far-field antenna performance, the measured near-field is graphically presented on the human body outline, which gives an insight of the on-body propagation. The accuracy of the available measurement results is validated with EM simulations using an equivalent numerical phantom. Hence, this measurement system can be used as a repeatable test-bed for evaluating the performance of wearable antennas. Furthermore, a flexible fully-textile wearable antenna is designed, fabricated and measured at 2.4 GHz that can be easily integrated in smart clothing. It supports surface wave propagation and exhibits an omni-directional radiation pattern that makes it suitable for on-body communications. It is based on a multilayer low-profile higher-mode patch antenna (HMMPA) design with embroidered shorting vias. Emphasis is given to the fabrication process of the textile vias with conductive sewing thread that play an important role in generating the optimal mode for on-body radiation. The radiation pattern shape of the proposed fully-textile antenna was found to be similar to a copper rigid antenna, exhibiting a high on-body radiation efficiency of ≈ 50%.The potential of the embroidery technique for creating wearable antennas is also demonstrated with the fabrication of a circularly polarised spiral antenna that achieves a broadband performance from 0.9-3 GHz, which is suitable for off-body communications. By testing the textile spiral antenna on the SAM phantom, the antenna-body interaction is examined in a wide frequency range. Finally, a statistical characterisation of on-body communication channels is undertaken both with EM simulations and channel measurements including user’s dynamic movement (walking and running). By using antenna types of different polarisation, the on-body channels are examined for different propagation conditions. Four on-body channels are examined with the one part fixed on the waist of the human body while the other part located on the chest, back, wrist and foot. Channel path gain is derived, while large-scale and small-scale fading are modelled by best-fit statistical distributions.

Αυτή η διατριβή παρέχει μια πρωτότυπη συμβολή στον τομέα των ασυρμάτων επικοινωνιών με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα με την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας μετρήσεων για τον χαρακτηρισμό κεραιών πάνω στο ανθρώπινο σώμα,. Παράλληλα, πρσφέρει νέα δεδομένα ως προς την υλοποίηση πλήρως υφασμάτινων κεραιών και τη μοντελοποίηση ασύρματων καναλιών επικοινωνίας πάνω στο σώμα λαμβάνοντας υπόψη τους διαφορετικούς τύπους κεραιών και τα αποτελέσματα της δυναμικής κίνησης του χρήστη.Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία μέτρησης για τον χαρακτηρισμό φορετών (wearable) κεραιών σε διαφορετικές θέσεις του ανθρώπινου σώματος. Αυτή η μεθοδολογία βασίζεται στη τεχνική μετρήσεων κεραιών στο κοντινό πεδίο σε κυλινδρικές συντεταγμένες (Cylindrical Near Field, CNF), η οποία διευκολύνει τις μετρήσεις φορετών κεραιών όταν χρησιμοποιείται ένα ολόσωμο συμπαγές ανθρωπόμορφο μανεκέν (SAM human body model). Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη γρήγορη εξαγωγή του τρισδιάστατου (3D) σφαιρικού διαγράμματος ακτινοβολίας (full spherical radiation pattern) και την αντίστοιχη απόδοση ακτινοβολίας, που είναι μια σημαντική παράμετρος για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των φορετών συστημάτων κεραιών. Εμφανίζεται ως οικονομικά αποδοτική και εύκολη στην εφαρμογή λύση που δεν απαιτεί ακριβή συστήματα τοποθέτησης και περιστροφής (positioners) του ανθρωπίνου σώματος, σε αντίθεση με το συμβατικό σύστημα χαρακτηρισμού κεραιών στο μακρινό πεδίο.Η μέθοδος μέτρησης CNF αξιολογείται χρησιμοποιώντας μια τυπωμένη κεραία διπόλου σε κάθετη και οριζόντια πόλωση σε τρεις θέσεις πάνω στο σώμα, συγκεκριμένα στο στήθος, το κεφάλι και τον ώμο, στη ζώνη συχνοτήτων ISM 2,4 και 5,8 GHz. Επιπλέον, δύο πλήρως υφασμάτινες φορετές κεραίες τύπου patch με διακριτά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας εξετάζονται ξεχωριστά, οι οποίες είναι κατάλληλες για επικοινωνίες πάνω (on-body) και έξω (off-body) από το ανθρωπίνο σώμα αντίστοιχα. Εκτός από τα αποτελέσματα μετρήσεων των κεραιών και πιο συγκεκριμένα το 3D διάγραμμα ακτινοβολίας μακρινού πεδίου, το πεδίο στο κοντινό πεδίο (near-field) αποτυπώνεται γραφικά πάνω στο περίγραμμα του ανθρώπινου σώματος, το οποίο δίνει μια εικόνα της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου πάνω στο σώμα. Η ακρίβεια των διαθέσιμων αποτελεσμάτων μετρήσεων επιβεβαιώνεται με ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας ένα ισοδύναμο αριθμητικό ανθρώπινο μοντέλο. Ως εκ τούτου, αυτό το σύστημα μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο για την αξιολόγηση της απόδοσης φορετών κεραιών πάνω στο ανθρώπινο σώμα. Επιπλέον, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται μια εύκαμπτη πλήρως υφασμάτινη φορετή κεραία η οποία χαρακτηρίζεται στα 2,4 GHz που μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε έξυπνα ρούχα. Υποστηρίζει τη διάδοση επιφανειακών κυμάτων και παρουσιάζει μια ομοιοκατευθυντική ακτινοβολία (omnidirectional) που την καθιστά κατάλληλη για επικοινωνίες πάνω στο σώμα. Βασίζεται σε σχεδίαση κεραίας πολλαπλών στρωμάτων και χαμηλού προφίλ (HMMPA) με κεντημένες οπές βραχυκυκλωματος (conductive vias). Έμφαση δίνεται στη διαδικασία κατασκευής των υφασμάτικων οπών με αγώγιμη κλωστή που παίζουν σημαντικό ρόλο δημιουργώντας τη βέλτιστη λειτουργία για ακτινοβολία στο σώμα. Το χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της προτεινόμενης πλήρως υφασμάτινης κεραίας βρέθηκαν παρόμοια με αυτά μιας συμπαγούς άκαμπτη χάλκινης κεραίας, που παρουσιάζει υψηλή απόδοση ακτινοβολίας πάνω στο σώμα ≈ 50%.Παράλληλα κατασκευάστηκε και μια πλήρως υφασμάτινη σπειροειδής κεραία με κυκλική πόλωση που επιτυγχάνει ευρυζωνική λειτουργία από 0.9-3 GHz, η οποία είναι κατάλληλη για επικοινωνίες εκτός σώματος. Μετρώντας την υφασμάτινη σπειροειδή κεραία πάνω στο SAM ανθρωπόμορφο μοντέλο, η αλληλεπίδραση κεραίας-σώματος εξετάζεται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Τέλος, πραγματοποιείται ένας στατιστικός χαρακτηρισμός των καναλιών επικοινωνίας πάνω στο σώμα τόσο με προσομοιώσεις EM όσο και με μετρήσεις καναλιιού συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής κίνησης του χρήστη (περπάτημα και τρέξιμο). Με τη χρήση τύπων κεραιών διαφορετικής πόλωση, τα κανάλια στο σώμα εξετάζονται για διαφορετικές συνθήκες διάδοσης. Τέσσερα κανάλια πάνω στο σώμα εξετάζονται με το ένα μέρος σταθερό στη μέση του ανθρώπινου σώματος ενώ το άλλο μέρος βρίσκεται στο στήθος, πλάτη, καρπός και πόδι. Το κέρδος διαδρομής καναλιού (channel path gain) καθώς και οι διαλείψεις μικρής και μεγάλης κλιμακας εξάγονται μετα από μια διαδικασία μετρήσεων με αναλυτη κυκλωμάτων (vector network analyzer VNA), και μοντελοποιούνται από στατιστικές κατανομές με την καλύτερη προσαρμογή (best-fit).