Scalable on-body pathloss models based on surface wave propagation for wireless body area networks
Final Report Abstract
Funkapplikationen im und am Körper werden zunehmend in unterschiedlichen Lebensbereichen eingesetzt. Die fortschreitende Miniaturisierung solcher Geräte führt häufig dazu, dass der Nutzer selbst zum prägenden Teil der Funkanwendungen wird. Die primär der Körperkontur folgenden Übertragungsstrecken sind hierbei nicht durch herkömmliche Freiraumfunkfelddämpfungsmodelle nachzubilden, da der dominante Ausbreitungsmechanismus auf Oberflächenwellen zurückzuführen ist. Ziel des Forschungsprojekts ist die Definition an die Wellenausbreitung am Körper adaptierter Antennenparameter und die Entwicklung skalierbarer physikalisch motivierter Kanalmodelle. Die theoretischen Grundlagen zur Wellenausbreitung entlang ebener verlustbehafteter Grenzschichten werden durch das klassische Sommerfeldproblem eingeführt. Diesbezüglich wird eine Lösung für den quasi-stationären Funkfeldbereich aufgezeigt und zur Diskussion grundlegender elektromagnetischer Ausbreitungsphänomene im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 60 GHz herangezogen. Basierend hierauf wird eine Methode zum Antennendeembedding vorgestellt, welche die Abschätzung des durchschnittlich zu erwartenden Antennenfernfeldes ermöglicht. Des Weiteren wird das körpergebundene Fernfeld in eine TM und eine TE Komponente zerlegt, um seine Wirkung auf zwei äquivalente elektrische Dipole abzubilden. Dieser Ansatz ermöglicht die Definition von On-Body Antennenparametern, u.a. Direktivität und Antennenwirkfläche, welche zur systematischen Klassifikation körpergetragener Antennen herangezogen werden. Während dieser Ansatz hinreichend zur Beschreibung direkter Ausbreitungspfade verwendet werden kann, ist ihre Verwendung bei gekrümmten Ausbreitungspfaden durch das zugrunde gelegte ebene Modell beschränkt. Diese Limitation wird durch Einführung eines zylindrischen Pathlossmodells umgangen, indem das ebene Modell zur Modellierung des quasistationären Feldbereichs verwendet wird und das Zylindermodel weiter entfernte Distanzen beschreibt. Die Modellentwicklung wird hierbei komplementär zum TM/TE-Ansatz des ebenen Modells gehalten. Die gesamte Theorie wird durch numerische Ganzkörpersimulationen und Messungen in einer Antennenmesskammer verifiziert. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieses Projekts gezeigt werden, dass selbst die komplexe Wellenausbreitung am menschlichen Körper durch physikalisch motivierte Kanalmodelle auf Basis von Raum- und Oberflächenwellen mit einer für Pahlossmodelle guten Genauigkeit nachgebildet werden kann. Die abgeleiteten, an das Ausbreitungsszenario angepassten Antennenparameter eignen sich deutlich besser zur Charakterisierung von Antennen für diese Funksysteme als die klassischen Freiraumparameter, die üblicherweise verwendet werden.
Publications
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"Discussion of Body Worn Dipole Antennas Based on an Improved De-embedding Approach", 7th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), April 2013
Grimm, M. and Manteuffel, D.
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"Far Field Modeling of Body Worn Antennas by the Superposition of Equivalent Electric Sources", 8th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), The Hague, The Netherlands, April 6-11, 2014, pp. 1754-1755
Grimm, M. and Manteuffel, D.
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"Norton Surface Waves in the Scope of Body Area Networks," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no.5, pp. 2616-2623, May 2014
Grimm, M. and Manteuffel, D.
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"On-Body Antenna Parameters," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no.12, pp. 5812-5821, December 2015
Grimm, M. and Manteuffel, D.
