Analytic on-body antenna and propagation models

Abstract

The use of wireless communication technologies for the intercommunication of body-worn applications is increasing rapidly nowadays. In accordance with the ongoing miniaturization of wearable devices, the interaction between the antenna and the user becomes more and more intense. As a result of the inability of the traditional free-space antenna theory to describe the excitation of on-body surface waves, this has so far led to insufficient insights into the development of such body-centric systems. Hence, the aim of this thesis is to derive on-body antenna parameters and physically motivated EM propagation models that can be used to develop scalable path gain models as well as optimized design strategies. Considering planar dissipative surfaces, an intuitive propagation model is discussed, which follows the classical Sommerfeld problem. An appropriate solution for quasi-static ranges is adapted and consulted to discuss basic principles of electromagnetic propagation of on-body line-of-sight scenarios for selected frequencies between 400 MHz and 60 GHz. Based on these results, an antenna de-embedding is introduced in the course of this thesis, which is capable of modeling the average radiated antenna far field. Furthermore, a decomposition of the total on-body far field into a TM field component and a TE one is discussed to define two equivalent electric dipole sources. This approach enables the definition of the on-body directivity as well as the effective antenna area to discuss the radiation properties of the corresponding antenna geometry in terms of on-body communications. While this approach is primarily limited to line-of-sight propagations, a cylindrical dielectric phantom is introduced to cover non-line-of-sight links as well. In this case, the introduced de-embedding method is used to model the quasi-static range while the bended propagation path is treated by an adapted cylindrical model, which emphasizes the TM/TE-related far field decomposition of the planar model. Finally, the theory that is derived is verified by numerical full human body examples as well as by measurement setups in an anechoic chamber.

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 der vorliegenden Dissertation ist die Definition 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 Antennen-de-embedding 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 Antennenparameter, 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 Phantommodells 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.