Modelle zur optimierten Entwicklung von am Körper getragenen und in Implantate integrierten Antennen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die besondere Herausforderung in der Modellierung körpernah getragener und/oder implantierter (On-Body) Funkapplikationen liegt in der Nahfeldkopplung der Antenne und dem dissipativen Gewebe. Hierdurch konnten bisher die Antennen nicht vom Ausbreitungskanal getrennt in der Systembeschreibung berücksichtigt werden. Im Rahmen des Projekts wurden daher Methoden zur systematischen Antennenentwicklung von On-Body Funkapplikationen entwickelt, mithilfe derer die Antennen separat charakterisiert werden können. Zum einen wurde eine Methode zur Charakterisierung von On-Body Antennen entwickelt, die auf einer physikalischen Modellierung der Wellenausbreitung entlang des Gewebes basiert. Daraus konnten sogenannte „On-Body Antennenparameter“ abgeleitet werden, die eine angepasste Form der standardmäßig verwendeten Freiraum- Antennenparameter darstellen. In einem zweiten Schritt wurde eine Methode zur Modellierung von On-Body Funkverbindungen auf Basis sogenannter sphärischer Wellenfunktionen (SWF) entwickelt. Hiermit ist es möglich, auf einer höheren Abstraktionsebene getrennte Modelle der Antennen und des Kanals zu gewinnen. Da die entwickelten On-Body Antennenparameter so nah wie möglich an die standardmäßig verwendeten Definitionen für den freien Raum angelehnt definiert wurden, ist hiermit eine intuitive und einfach verständliche Charakterisierung von On-Body Antennen möglich. Ebenso konnte ein Messsystem entwickelt werden, welches eine messtechnische Bestimmung der neu definierten Antennenparameter ermöglicht. Dies ist für den praktischen Einsatz besonders hilfreich, da somit Validierungsmöglichkeiten während des Entwicklungsprozesses bestehen. Für Applikationen, bei denen der Kanal durch verschiedene Körperhaltungen nicht signifikant beeinflusst wird, ist es möglich Linkbudget Berechnungen direkt auf Basis der On-Body Antennenparameter und einer neu definierten On-Body Friis-Gleichung durchzuführen. Die entwickelte Methode auf Basis sphärischer Wellenfunktionen ergänzt die Modellierungsmöglichkeiten hinsichtlich dynamischer Kanäle, da hier effizient die Antennenperformance in vielen verschiedenen Kanalmodellen bewertet werden kann. Ebenso erfolgt die Berechnung des Kanalmodells numerisch, sodass keinerlei Vereinfachungen der Geometrie notwendig sind. Über die Modellierung und Charakterisierung von On-Body Antennen und Kanälen hinaus, stellt der Entwurf optimierter Antennen für diese Einsatzzwecke eine substanzielle Herausforderung dar. Für Applikationen mit als näherungsweise statisch klassifizierten Kanälen kann eine Optimierung direkt anhand der On-Body Antennenparameter durch die Maximierung des On-Body Antennen Gewinns in Richtung des Hauptausbreitungspfades erfolgen. Bei dynamischen Kanälen ist dies nicht möglich. Daher wurde ebenfalls eine Antennenoptimierung auf Basis der SWF Modellierung entwickelt. Hiermit können optimale Eigenschaften der Antenne auf Basis vieler verschiedener möglicher Kanalmodelle berechnet werden. Um hier eine Möglichkeit zur messtechnischen Validierung zu erhalten, wurden beide entwickelten Methoden miteinander verknüpft, sodass ebenfalls auf Basis der (optimalen) SWF-Koeffizienten eine Bestimmung der On-Body Antennenparameter möglich ist. Anhand von Beispielapplikation konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Methoden eine effiziente Modellierung sowie einen zielgerichteten Entwurf körpernah getragener und/oder implantierter Antennen ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019), “Evaluation of Bannisters Subsurface-to-Air Model for Implanted Antennas”, 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting - AP-S/URSI, 2019
S. Meshksar, L. Berkelmann and D. Manteuffel
- "Antenna Parameters for On-Body Communications with Wearable and Implantable Antennas," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 69, Issue: 9, pp. 5377-5387, September 2021
L. Berkelmann, and D. Manteuffel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3060944) - "Characterization of Wearable and Implanted Antennas: Test Procedure and Range Design," IEEE Transactions on Antennas and Propagation
L. Berkelmann, and D. Manteuffel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3126386) - "On-Body Antenna Radiation Pattern Measurement System," 2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), 2021, pp. 031-031
L. Berkelmann and D. Manteuffel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/iceaa52647.2021.9539732) - Antenna Optimization for WBAN Based on Spherical Wave Functions De-Embedding
L. Berkelmann, H. Jäschke, L. Mörlein, L. Grundmann and D. Manteuffel
(Siehe online unter https://doi.org/10.48550/arXiv.2111.01708) - „Implantable Antenna Design for Surface-Wave Based In-Body to On-Body Communications,” 2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting - AP-S/URSI, 2021
L. Berkelmann and D. Manteuffel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/APS/URSI47566.2021.9704714)
