神奇的人体局域网
通过身体或沿着身体的无线链接用于医疗设备以及便携式多媒体设备（可穿戴计算机/可穿戴设备）和安全技术（用于消防员的保护设备等）。医学应用包括诊断（重要数据监测）和治疗目的（修复，神经刺 激）。对于医疗保健和安全设备，可靠性是一个主要问题。植入物特别需要无线系统的紧凑设计。为了满足这些要求，需要对预期的通信信道和匹配的最佳天线特性有充分的了解。
由于高度集成，尤其是与有损人体组织的耦合，这些系统所需天线的设计仍然具有挑战性。对于根据Friis传输方程采用通常使用的建模方法进行的体外链接，必须将其视为天线的一部分，参见。图1。此外，从图1可以看出，由于无法将天线和信道建模为单独的构造块，因此体上链接使系统开发更加复杂。
天线去嵌入-体内天线参数
我们的方法可以使天线从人体通道去嵌入，并定义与传播机制更紧密链接的自适应人体天线参数[1]。为了考虑人体的存在，我们的方法利用诺顿表面波理论对位于人体的天线的电磁场进行建模。诺顿表面波理论的解决方案，特别是Bannister的解决方案[2]，在人体表面附近的天线问题上的适应性，已于较早发表[3]。在[1]中表明，可以通过将天线电流分布分解成小的电偶极子来建模任意天线的体场。然后可以从所有这些偶极子的场的叠加来计算天线的辐射电磁场。
可穿戴天线设计
为了验证，优化和改进人体天线设计方法，我们正在开发用于典型WBAN应用的天线。紧凑性是可穿戴天线的主要设计标准。因此，我们可以利用高度集成的天线设计特征模式分析结合并重复使用具有天线功能的机械和电气部件。此外，我们在以人体为中心的天线系统开发方面为工业合作伙伴提供支持。
3D MID智能手表天线，用于体上和体外通信
提议的系统由两个天线组成，两个天线均在2.4 GHz频段内工作，该频段用于根据IEEE标准802.15.6的无线人体局域网（WBAN）。一个天线被设计为激发强大的诺顿表面波分量以进行人体通信，而第二个天线旨在产生空间波以支持体外无线电链路。因此，相对于身体表面的正常极化天线需要激发更强的诺顿表面波，而切向极化天线则主要要激发从身体辐射出的空间波。因此，有效激发体内和体外通信的波的可能解决方案是按3D尺寸（法向和切向）布线两个天线元件。这表明3D MID制造技术（有关我们在这方面的努力的详细信息，请参见此处）可能是开发和实现此类天线系统的合适解决方案。最终设计被集成到通用的3D外壳中，可以戴在人的手腕上，如图1a和1b所示。从图2中可以看出，假定天线的体外模式（左图）主要辐射到身体以外，而设计系统的体外模式（右图）则激发强表面波。
以身体为中心的无线通信渠道
考虑到人体局域网的各种可能应用，我们正在研究的通信渠道大致分类如下： 这种情况用于身体上携带的传感器的联网。这些可以是例如用于确定血糖含量，氧气血细胞计数，步数计数器或心率监测器的传感器。如今，传感器已经与智能手机相连，作为评估单元。在图3的左下部示例性地示出了传播场景。由于发射器和接收器位于人体，因此传播通过空间波（在视线的情况下）和通过以身体为中心的表面波发生。尤其是表面导波可以实现传感器的互连，而无需视线连接。 这种情况在这里以在近表面植入的心脏起搏器和穿戴在人体上的评估单元之间的生命参数传输示例为例，与第一种情况的不同之处在于，一个天线位于人体表面下方的植入物中。因此，一个天线位于组织和空气之间的边界层的另一侧。然而，优选的激发波类型在此也将是沿着身体轮廓传播的表面引导波。 未来的应用可能还需要两个植入物之间的无线电链路。作为示例，在图3的右上部中，示出了神经刺 激器设备的传感器和致动器。目前正在讨论这样的系统，用于桥接切断的神经连接（例如，横截面麻痹）。在这种情况下，将植入发射器和接收器。由于不同的介电组织参数，波传播仍将部分地在人体空气边界处发生，并且部分地在肌肉组织与骨骼之间的边界层处发生。参考文献
[1] M. Grimm and D. Manteuffel, “On-Body Antenna Parameters,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 12, pp. 5812–5821, Dec. 2015, doi: 10.1109/TAP.2015.2482499.[2] P. R. Bannister, “New Formulas That Extend Norton’s Farfield Elementary Dipole Equations to the Quasi-Nearfield Range,” NAVAL UNDERWATER SYSTEMS CENTER NEW LONDON CT, NUSC–TR–6883, Jan. 1984.[3] M. Grimm and D. Manteuffel, “Norton Surface Waves in the Scope of Body Area Networks,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 5, pp. 2616–2623, May 2014, doi: 10.1109/TAP.2014.2307347.[4] L. Berkelmann and D. Manteuffel, “Slot Antenna Design with Optimized On-Body Pattern for Eyewear Applications,” in IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting - AP-S/URSI, 2019.[5] L. Berkelmann, T. Martinelli, A. Friedrich, and D. Manteuffel, “Design and Integration of a Wearable Antenna System for On- and Off-body Communication Based on 3D-MID Technology,” in 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), 2018, pp. 1–4, doi: 10.1049/cp.2018.0849.
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