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佩带式贴片天线与人体的相互作用研究

余志波  
【摘要】:本文用时域有限差分(FDTD)法研究佩戴式贴片天线与人体的相互作用,频带范围为860~960 MHz。本文研究的天线可作为超高频射频识别系统中的标签天线,是H型缝隙贴片天线,根据天线介质基片及其与人体接触方式的不同分为六种。其中,介质基片分为两种,其相对介电常数分别为9.6和16。介质基片与人体的接触方式有三种,一种是直接把人体作为接地板,一种是通过导体接地板与人体接触,最后一种在导体接地板之后加一层介质与人体接触。人体模型选择在相关研究中广泛应用的Zubal人体模型,其建立包括几何参数和电磁参数的确定。根据Zubal教授等建立的人体模型三维数组,通过编程使人体模型得以在商用软件XFDTD中直接调用。根据我们研究的频带范围和人体组织的色散特性,通过解一阶Debye方程,确定人体模型的电磁参数,包括单频和Debye参数。 天线与人体的相互作用研究分为两个方面,一方面是人体对天线的作用,以天线的阻抗、方向图、S_(11)参数和作用距离为参考。首先给出在仅有天线情况下其性能参数,然后给出在单频和Debye参数人体模型作用下天线的性能参数,通过比较分析人体对六种天线的作用,对比分析了各种天线性能参数的优劣。对其中一种天线研究了人体与天线相对位置变化对天线性能参数的影响。另一方面是天线对人体的作用,以人体组织的比吸收率(SAR)为参考。首先给出六种天线辐射下人体SAR值,找出条件相同情况下对人体辐射剂量最小的天线,给出天线与人体相对位置变化对人体SAR值的影响。最后综合考虑天线的性能参数和对人体的辐射,确定最优的天线,给出一个应用实例。 分析上述结果可得出:人体对天线的工作有明显影响,六种天线的性能参数在人体作用下均有明显变化,特别是直接把人体当做接地板的两种天线变化更为明显;在人体作用下,天线阻抗随频率的变化更平缓,在人体一侧的辐射强度变弱,S_(11)参数值变小;天线与人体相对位置的变化对天线方向图和作用距离无明显影响,对阻抗和S_(11)参数有一定影响,当天线下移10 mm时,阻抗变化较为平缓,S_(11)参数值较小;天线与人体相对位置的变化对人体SAR值有一定影响,合理选择天线的位置可有效减小人体所受的辐射剂量;直接把人体当做接地板的两种天线的综合性能优于其它四种天线,其S_(11)参数值在我们研究频段内较小,作用距离较远,对人体辐射较弱;在人体作用下,六种天线在φ= 90°平面上辐射强度的分布基本一致。


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