Design and analysis of planar and low-profile antennas for body area networks at 2.45 ghz

Resumen

Las Redes de Área Corporal (Body Area Networks o BANs) representan una tecnología clave para el desarrollo de aplicaciones novedosas como la monitorización de parámetros fisiológicos para teleasistencia médica o para actividades deportivas. El diseño de antenas para este tipo de aplicaciones conlleva una serie de retos muy significativos, tales como la miniaturización de la antena, la adaptación de la antena a la superficie del cuerpo (conformabilidad) y el aislamiento eléctrico de la antena respecto de los tejidos humanos. Por ello, en esta Tesis Doctoral se han propuesto varias soluciones para mejorar tanto la conformabilidad como el aislamiento de antenas planas y de bajo perfil que operan en la banda Industrial, Científica y Médica (ICM) de 2.45 GHz. Para mejorar la conformabilidad se han propuesto tres diseños de antena que se han validado tanto en simulación como en medida: dipolos extensibles, antenas de parche ranuradas y una antena PIFA alimentada por línea microstrip. Los dipolos extensibles se han optimizado mediante un modelo simplificado de deformación, obteniendo un coeficiente de reflexión menor que -10 dB en toda la banda ICM de 2.45 GHz para un grado de deformación del 20%. Por otro lado, se han propuesto las antenas de parche ranuradas como una topología potencialmente deformable, y se han implementado en sustrato rígido obteniendo sin embargo un rendimiento sobre el cuerpo humano ligeramente inferior al de una antena de parche convencional (una eficiencia de radiación de 16%, frente al 40% proporcionado por un parche sin ranuras). Se ha explorado también una antena PIFA alimentada por línea microstrip como una alternativa compacta a las antenas de parche convencionales, obteniendo un rendimiento sobre el cuerpo humano muy similar al de éstas. Por otro lado, se han estudiado dos técnicas para mejorar el aislamiento eléctrico de las antenas respecto del cuerpo humano: el uso de un reflector situado a unos pocos milímetros de la antena, y el uso de una superficie de alta impedancia (High Impedance Surface o HIS) debajo de la antena. En cuanto a la primera, se ha evaluado un nodo inalámbrico que contiene un dipolo doblado sobre un pequeño reflector, demostrando que el reflector aísla correctamente la antena al ponerla sobre el cuerpo, con la contrapartida de una reducción de su eficiencia de radiación en espacio libre. En cuanto a la superficie de alta impedancia, se ha propuesto una celda unitaria basada en capacidades interdigitadas obteniendo una reducción de área del 40% respecto al Estado del Arte. Se ha propuesto también un circuito equivalente para esta superficie como herramienta de diseño, y se ha analizado el comportamiento sobre el cuerpo humano de una antena monopolo situada sobre este HIS, demostrando que la presencia del HIS evita la desadaptación del monopolo y permite obtener valores aceptables de eficiencia de radiación (38% en espacio libre, 16% sobre el cuerpo). Para la realización de esta investigación se ha desarrollado asimismo una metodología específica para el diseño y medida de antenas BAN: se han definido y optimizado modelos numéricos y físicos del cuerpo humano, se han revisado y adaptado los procedimientos de medida de los parámetros de las antenas BAN, y se ha diseñado y validado un escenario específico para medidas de radiación.