基于表面波導(dǎo)的簡化人體通信理論模型

馬力　沈海斌　劉磊

摘要：原有人體通信理論模型存在著計算時間長、消耗資源多的問題.為了簡化計算，提出了一種基于分層介質(zhì)波導(dǎo)理論的簡化人體通信理論模型.由于在理論模型和數(shù)值模型的衰減常數(shù)計算中均發(fā)現(xiàn)五層、四層和三層模型的結(jié)果一致，而二層模型的結(jié)果與其他模型相差較大.這從理論和實(shí)驗兩方面證明了三層模型在計算精度和效率方面取得了平衡，可作為簡化人體通信理論模型使用.該簡化模型在保持與原有五層模型相同計算精度水平的同時，計算時間為原模型的0.216倍，將計算效率提高了5倍，可用于對人體通信傳輸機(jī)制進(jìn)行快速估計.

關(guān)鍵詞：人體通信；分層介質(zhì)；表面波導(dǎo)；衰減常數(shù)；傳輸機(jī)制

中圖分類號：TN011 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

但是文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的模型相對于人體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)顯得過于簡單，不能精確地刻畫出電磁波在人體上的傳輸機(jī)制.為了解決上述模型中存在的問題，本文作者提出了一種基于分層介質(zhì)表面波導(dǎo)的人體通信理論模型（該文獻(xiàn)已被期刊錄用，尚未發(fā)表）.該模型由皮膚、脂肪、肌肉、骨質(zhì)和骨髓5層介質(zhì)組成，和人體結(jié)構(gòu)基本相同.分層介質(zhì)表面波導(dǎo)人體通信模型在刻畫電磁波信號在人體表面的傳輸機(jī)制的準(zhǔn)確性方面優(yōu)于文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的模型.但該模型求解過程本質(zhì)上是一個20階矩陣的特征值的求解問題，在計算過程中需要耗費(fèi)大量的時間和計算資源.本文在作者提出的人體通信理論模型的基礎(chǔ)上，通過簡化模型層次，得到了一種簡化的表面波導(dǎo)人體通信理論模型.該簡化模型在保持較高精度的前提下大大減少了計算時間，可用于對電磁波在人體表面的傳輸機(jī)制進(jìn)行快速估計.有限元數(shù)值模型將被用來得到人體表面的電磁場分布和驗證簡化表面波導(dǎo)人體通信理論模型的正確性.2人體通信數(shù)值模型

2.1數(shù)值模型的意義

在電磁場研究中，還需要用到電磁場的數(shù)值模型來得到電磁場幅值的分布和佐證理論模型正確性[1，7-8].數(shù)值模型只能得出電磁場在空間中的分布情況，卻無法探知電磁場傳播的內(nèi)在規(guī)律；同時孤立的理論模型則無法自證其得出結(jié)果的正確性.所以本文中同時使用這兩種電磁場模型，如果二者出現(xiàn)的現(xiàn)象一致，則認(rèn)為該理論模型能夠反映電磁波傳播的實(shí)際情況.

2.2人體手臂電磁場數(shù)值模型

人體手臂數(shù)值模型由圓柱組成，模型的尺寸、層次和介質(zhì)參數(shù)與理論模型完全相同.為了使發(fā)射器產(chǎn)生的非穩(wěn)定傳輸模式電磁波信號被有效衰減，模型長度需大于1/4波長，所以本文設(shè)置模型長度為1 m.模型外圍被空氣柱所包圍，空氣柱表面為輻射邊界，以模擬電磁場向無限遠(yuǎn)空間輻射的情況.同時，空氣柱邊界與模型表面的距離大于1/2波長，以保證計算的精度和收斂.為了與理論模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比，本文將對五層、四層、三層和二層人體手臂數(shù)值模型進(jìn)行分析，得出不同層次模型在不同頻率下的衰減常數(shù)情況.

3 結(jié)果與討論

3.1 理論模型計算結(jié)果

3.2數(shù)值模型計算結(jié)果

人體通信數(shù)值模型可以計算出模型空間中每一點(diǎn)的電磁場幅值.通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理后得到所需的電磁場傳輸特性.由于本文需要考察的是信號在人體表面沿手臂方向上的傳輸特性，所以從模型中提取的是不同層次模型表面?zhèn)鞑シ较蛑本€上的電磁場幅值.下面以五層模型150 MHz下的相對電場幅值作為示例，結(jié)果如圖3所示.

圖3中的相對電場幅值呈分段線性，這與理論模型計算結(jié)果中僅有0階模式的電磁波有解的結(jié)論相符.在分段線性曲線的前一段中，電磁場幅值下降較快，這是因為在發(fā)射的電磁波信號中，僅有0階模式的電磁波可以穩(wěn)定傳輸，其他模式的電磁波均迅速衰減，導(dǎo)致了信號幅值整體的快速下降；在分段線性曲線的后一段中，電磁場幅值的下降開始變得緩慢，其原因是其他模式的電磁波均已衰減完畢，僅剩下0階模式的電磁波在穩(wěn)定傳播.通過對曲線第二部分進(jìn)行線性擬合即可得到電磁波穩(wěn)定傳輸模式下的衰減常數(shù)，擬合情況如圖3所示.

通過觀察不同層次的理論模型和數(shù)值模型的計算結(jié)果可知，骨骼是否存在對人體通信信號傳輸?shù)挠绊懖淮螅遣豢紤]肌肉層將使計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差.由此可認(rèn)為，電磁波信號并不僅僅在皮膚表面?zhèn)鞑?，同時也將在較為淺層的人體介質(zhì)（脂肪、肌肉等）中傳播，但較深層次的介質(zhì)（骨質(zhì)、骨髓等）對信號傳播的影響不大.而在以往的人體通信模型和理論研究中，由于模型結(jié)構(gòu)過于簡單，在模型上僅能觀察到電磁波信號在皮膚和空氣的分界面上傳播[1-2].因此相關(guān)研究者也就認(rèn)為人體通信信號僅在人體表面?zhèn)鞑?但這僅僅是從字面理解了表面波導(dǎo)的內(nèi)涵.根據(jù)表面波導(dǎo)理論，電磁波將在介質(zhì)分界面上傳播[9]，所以事實(shí)上人體中的皮膚和脂肪的分界面，以及脂肪和肌肉的分界面也可作為電磁波傳播的途徑.本文能得出比以往研究中更精確的人體通信傳輸機(jī)制的原因主要是采用了層數(shù)可調(diào)的分層介質(zhì)表面波導(dǎo)人體通信模型，該模型能夠有效地刻畫皮膚、脂肪、肌肉、骨質(zhì)、骨髓等介質(zhì)對人體通信信號傳輸?shù)挠绊懀⒖梢酝ㄟ^調(diào)整模型層數(shù)來分析不同介質(zhì)層在通信中的作用.綜上所述，簡化人體通信理論模型，無論從計算精度上還是傳輸機(jī)制分析的準(zhǔn)確性上都優(yōu)于文獻(xiàn)1]中模型.

4 結(jié)論

本文提出了一種基于分層介質(zhì)表面波導(dǎo)理論的簡化人體通信理論模型，它在保證計算精度的前提下，計算時間僅有原有五層人體通信理論模型的1/5左右，非常適合用于對人體通信的傳輸機(jī)制進(jìn)行快速估計.同時，通過對比五～二層人體通信理論模型和數(shù)值模型的計算結(jié)果，得出了關(guān)于人體通信信號傳輸機(jī)制的一些詳細(xì)信息，人體通信中的電磁波信號不僅在皮膚表面?zhèn)鞑ィ乙矊⒃谳^為淺層的人體介質(zhì)（例如脂肪、肌肉等）中傳播，但較深處的骨骼并不會對信號傳輸產(chǎn)生影響.然而，由于人體通信理論模型基于無限長度的假設(shè)，這將會使計算的結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，未來針對這一局限將做出改進(jìn).

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