Laajakaistaisten impulssiradioantennien toiminta langattomissa kehoverkoissa ihmiskudoksen läheisyydessä

Väitöstyössä tarkastellaan laajakaistaisen impulssiradioantennin toimintaa langattomissa kehoverkoissa. Langattomia kehoverkkoja on suunniteltu käytettäväksi esimerkiksi käyttäjän urheilusuorituksen tai terveyden seurannassa. Työn tavoitteena on ollut tutkia antennin ja ihmiskudoksen kytkeytymisestä johtuvia sähkömagneettisia ilmiöitä ja analysoida erittäin laajakaistaisen säteilijän haasteet. Päämääränä on ollut ymmärtää antennin suorituskyky kontekstissa ja kohdeympäristöksi on fokusoitu toiminta ihmiskehon pinnalla ja keholta poispäin seuraavaan liityntäpisteeseen.

Antenni on komponentti joka mahdollistaa toiminnan langattomasti, ilman kaapeleita. Tutkimustyössä impulssiradioantennin toimintaa havainnollistetaan antennin käyttöetäisyyden funktiona ihmiskudoksesta. Ihmiskehon aiheuttamien heijastusten vaikutusta säteilykuvioihin tarkastellaan teoreettisesti ja lisäksi esitetään menetelmä vaikuttaa antennin summapolarisaation kautta säteilykuvion muotoon keinotekoisella epäisotrooppisella substraatilla. Ehdotetulla menetelmällä pystytään minimoimaan nollakohtia ja saavuttamaan tasainen säteilykuvio laajan taajuuskaistan yli. Kaksitie-mallia sovelletaan säteilykuvion muodon ennustamiseen kehon läheisyydessä. Lisäksi työssä tarkastellaan ihmiskudoskerrosten (iho, rasvakudos, luu, lihas) paksuuden vaikutusta antennin suorituskykyyn simuloimalla. Antennin syöttötehon vaikutusta tutkitaan kudoksen lämpiämisen ja tehon absorboitumisen näkökulmasta.

Impulssiradioantennin toiminnan analyysissa käytetään erilliskomponenteilla muodostettuja vastinpiirejä, joita hyödynnetään mm. kompleksisen syöttöimpedanssin ja antennin fyysisten mittojen yhteyden löytämiseksi: työssä esitetään antennin käytännön leveyden ja pituuden muutos suhteessa antennin impedanssikäyttäytymiseen. Lisäksi impedanssin muutos analysoidaan kapasitanssin, induktanssin ja resistanssin funktiona antennin reaktiivisen lähikentän alueella. Antennin reaktiivisen lähikentän koko on havaittu tärkeäksi tekijäksi kehoantennille riittävän suorituskyvyn saavuttamiseksi. Jotta kudoksen vaikutus antennin läheisyydessä voidaan ottaa suunnittelussa huomioon, työssä esitetään tarvittavat parasiittiset komponentit vastinkytkentöjen sarja- ja rinnanasteisiin. Työssä edelleen eritellään ja analysoidaan absorptio-, epäsovitus- ja kehohäviöiden osuudet impulssiradioantennin toiminnassa ihmiskudoksen läheisyydessä.

Tutkimustyö pohjautuu kansainväliseen IEEE802.15.6-2012-standardiin sekä FCC:n UWB -säännöksiin.