Operation of IR-UWB WBAN antennas close to human tissues

118 Pages·2014·2.58 MB·English

by  Tuovinen, Tommi

C505etukansi.kesken.fm Page 1 Wednesday, September 24, 2014 10:24 AM
C OULU 2014
5 C 505
0
5
UNIVERSITY OF OULU P.O.(cid:3)B(cid:82)(cid:91) (cid:27)(cid:19)00 FI-90014 UNIVERSITY OF OULU FINLAND AACCTTAA
A UUNNIIVVEERRSSIITTAATTIISS OOUULLUUEENNSSIISS
A C T A U N I V E R S I T A T I S O U L U E N S I S C
T
A
CC
S E R I E S E D I T O R S TTEECCHHNNIICCAA
Tommi Tuovinen
A
SCIENTIAE RERUM NATURALIUM
T OPERATION OF IR-UWB
o
B Professor Esa Hohtola m
m
WBAN ANTENNAS CLOSE
HUMANIORA i

T
u
CUniversity Lecturer Santeri Palviainen o TO HUMAN TISSUES
v
i
n
TECHNICA e
n
DPostdoctoral research fellow Sanna Taskila
MEDICA
E Professor Olli Vuolteenaho
SCIENTIAE RERUM SOCIALIUM
F University Lecturer Veli-Matti Ulvinen
SCRIPTA ACADEMICA
G Director Sinikka Eskelinen
OECONOMICA
Professor Jari Juga
EDITOR IN CHIEF
Professor Olli Vuolteenaho
PUBLICATIONS EDITOR
Publications Editor Kirsti Nurkkala
UNIVERSITY OF OULU GRADUATE SCHOOL;
UNIVERSITY OF OULU,
FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY AND ELECTRICAL ENGINEERING,
ISBN 978-952-62-0591-5 (Paperback)
DEPARTMENT OF COMMUNICATIONS ENGINEERING;
ISBN 978-952-62-0592-2 (PDF) CENTRE FOR WIRELESS COMMUNICATIONS;
ISSN 0355-3213 (Print) INFOTECH OULU
ISSN 1796-2226 (Online)

ACTA UNIVERSITATIS OULUENSIS
C Technica 505
TOMMI TUOVINEN
OPERATION OF IR-UWB WBAN
ANTENNAS CLOSE TO HUMAN
TISSUES
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.
UNIVERSITY OF OULU, OULU 2014
Copyright © 2014
Acta Univ. Oul. C 505, 2014
Supervised by
Professor Jari Iinatti
Doctor Markus Berg
Reviewed by
Professor Ben Allen
Professor Zhi Ning Chen
Opponent
Associate Professor Christophe Roblin
ISBN 978-952-62-0591-5 (Paperback)
ISBN 978-952-62-0592-2 (PDF)
ISSN 0355-3213 (Printed)
ISSN 1796-2226 (Online)
Cover Design
Raimo Ahonen
JUVENES PRINT
TAMPERE 2014
Tuovinen, Tommi, Operation of IR-UWB WBAN antennas close to human tissues.
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
Acta Univ. Oul. C 505, 2014
University of Oulu, P.O. Box 8000, FI-90014 University of Oulu, Finland
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.
Keywords: anisotropic substrate, body loss, equivalent circuits, planar antenna,
wideband antenna

Tuovinen, Tommi, Laajakaistaisten impulssiradioantennien toiminta langatto-
missa kehoverkoissa ihmiskudoksen läheisyydessä.
Oulun yliopiston tutkijakoulu; Oulun yliopisto, Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta,
Tietoliikennetekniikan osasto; Centre for Wireless Communications; Infotech Oulu
Acta Univ. Oul. C 505, 2014
Oulun yliopisto, PL 8000, 90014 Oulun yliopisto
Tiivistelmä
Tässä väitöskirjassa tarkastellaan laajakaistaisten impulssiradioantennien (IR-UWB) toimintaa
langattomissa kehoverkoissa (WBAN). Työn tavoitteena on tarkastella antennin ja ihmiskudok-
sen 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 -säännök-
siin.
Väitöstyössä tarkastellaan taajuusriippuvan ihmiskudoksen mallintamista. Ihmiskudoskerros-
ten 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 muo-
toon keinotekoisella epäisotrooppisella substraatilla. Ehdotetulla menetelmällä, mitä ei ole aiem-
min kirjallisuudessa esitetty kehoantenneille, voidaan minimoida nollakohtia ja saavuttaa tasai-
nen säteilykuvio FCC UWB -taajuuskaistan yli. Kaksitie-mallia sovelletaan säteilykuvion muo-
don ennustamiseen kehon läheisyydessä.
Useita antenniparametreja havainnollistetaan antennin käyttöetäisyyden funktiona ihmisku-
doksesta. Antennin reaktiivisen lähikentän koko on tärkeä tekijä kehoantennille riittävän suori-
tuskyvyn 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. Impe-
danssin muutos analysoidaan kapasitanssin, induktanssin ja resistanssin funktiona antennin reak-
tiivisen lähikentän alueella. Jotta kudoksen vaikutus antennin läheisyydessä voitaan ottaa suun-
nittelussa huomioon, työssä esitetään tarvittavat parasiittiset komponentit vastinkytkentöjen sar-
ja- ja rinnanasteisiin.
Asiasanat: epäisotrooppinen substraatti, kehohäviöt, laajakaistainen antenni,
planaarinen antenni, vastinpiirit

To my Family
8