Antenna de-­embedding for on­-body communications with wearables and implants

Abstract

The particular challenge for modeling wearable and implantable wireless systems for on-body communications lies in the near-field coupling of the antenna and the dissipative tissue. Hence, so far, the antennas could not be considered separately from the propagation channel in the system description. Therefore, methods for the systematic antenna design of on-body applications are developed, whereas the antennas are characterized de-embedded. First, a method for characterizing on-body antennas is developed based on physical modeling of the propagation along the tissue. Furthermore, on-body antenna parameters are derived, representing an adapted form of the standard free-space antenna parameters. Secondly, a method for modeling on-body links based on spherical wave functions (SWF) is developed. It enables obtaining separate models of the antennas and the channel at a higher level of abstraction.

Since the developed on-body antenna parameters are defined closely to the standard free-space definitions, an intuitive characterization of on-body antennas is possible. Furthermore, an antenna test range is developed for assessing the defined on-body antenna parameters for physical prototypes. As shown by the examples evaluated, the on-body antenna parameters and the determined transmission equation, analogous to the Friis equation in free-space, can also be used to model the entire wireless system. However, the difficulty lies in determining the directional channel model, which is costly and not universally possible for any application. The developed method based on SWF complements the characterization methods, as channels of any complexity can be modeled since the method could be implemented numerically.

Beyond the characterization of on-body antennas and channels, the design of optimized antennas for these applications presents a substantial challenge. Based on the derived on-body transmission equation, antenna optimization can be done directly by maximizing the on-body antenna gain in the direction of the main propagation path. For more complex channels, antenna optimization based on SWF modeling is also developed. With this, optimal characteristics of the antenna can be calculated based on many different possible channel models. To also obtain a possibility for validation with measurements here, both developed methods are linked with each other so that a determination of the on-body antenna parameters is also possible based on the optimal SWF coefficients.

With several application examples, it has been validated that the developed methods enable efficient de-embedded modeling and educated design of wearable and implanted antennas for on-body communications.

Die besondere Herausforderung bei der Modellierung von am Körper getragenen und implantierbaren drahtlosen Systemen liegt in der Nahfeldkopplung der Antenne und des dissipativen Gewebes. Daher konnten bisher die Antennen nicht getrennt vom Ausbreitungskanal in der Systembeschreibung berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden Methoden für die systematische Antennenentwicklung von On-Body-Anwendungen entwickelt, wobei die Antennen separat (de-embedded) charakterisiert werden können. Zunächst wird eine Methode zur Charakterisierung von On-Body-Antennen entwickelt, die auf der physikalischen Modellierung der Ausbreitung entlang des Gewebes basiert. Darüber hinaus wurden On-Body-Antennenparameter abgeleitet, die eine angepasste Form der Standardantennenparameter für den freien Raum darstellen. Desweiteren wird eine Methode zur Modellierung von On-Body-Verbindungen auf Grundlage von sphärischen Wellenfunktionen entwickelt. Diese ermöglicht es, getrennte Modelle der Antennen und des Kanals auf einer höheren Abstraktionsebene zu erhalten.

Da die entwickelten On-Body-Antennenparameter in enger Anlehnung an die Standarddefinitionen für den freien Raum definiert sind, ist eine intuitive Charakterisierung von On-Body-Antennen möglich. Weiterhin wird ein Antennenmesssystem entwickelt, um die definierten Antennenparameter für physische Prototypen auswerten zu können. Wie die untersuchten Beispiele zeigen, können die On-Body-Antennenparameter und die ermittelte Übertragungsgleichung, analog zur Friis-Gleichung im Freiraum, auch zur Modellierung des gesamten Funksystems verwendet werden. Die Schwierigkeit liegt hier jedoch in der Bestimmung des Kanalmodells, die aufwändig und nicht für jede Anwendung universell möglich ist.

Die entwickelte Methode auf Basis sphärischer Wellenfunktionen (SWF) ergänzt die Charakterisierungsmethoden, da aufgrund der numerischen Implementierung hiermit Kanäle beliebiger Komplexität modelliert werden können. Neben der Charakterisierung von On-Body-Antennen und -Kanälen stellt der Entwurf von optimierten Antennen für diese Anwendungen eine große Herausforderung dar. Mithilfe der abgeleiteten Übertragungsgleichung für On-Body Antennen kann die Antennenoptimierung direkt basierend auf den On-Body Antennenparametern erfolgen, indem der Gewinn der On-Body Antenne in Richtung des Hauptausbreitungspfads maximiert wird. Für komplexere Kanäle wird auch eine Antennenoptimierung auf der Grundlage der SWF-Modellierung entwickelt. Auf diese Weise können die optimalen Eigenschaften der Antenne auf Grundlage vieler verschiedener möglicher Kanalmodelle berechnet werden. Um auch hier eine Möglichkeit zur messtechnischen Validierung zu erhalten, werden beide entwickelten Methoden miteinander verknüpft, sodass eine Bestimmung der On-Body Antennenparameter auch auf Basis der SWF-Koeffizienten möglich ist.

Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele konnte validiert werden, dass die entwickelten Methoden eine effiziente Modellierung sowie ein fundiertes Design von tragbaren und implantierten Antennen für die On-Body-Kommunikation ermöglichen.