CN107888221A - 一种基于人体的天线系统设计方法 - Google Patents

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张旭
蒋玉蓉
李茂源
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    • H04B1/40—Circuits

Abstract

本发明具体涉及一种基于人体的天线系统设计方法，属于人体通信技术领域。该方法将人体作为天线工作于≤50MHz低频频段，用来进行信号发射和接收。当人体天线作为发射天线时主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极、人体等构成；当人体天线作为接收天线时主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块、信号接收模块等部分构成。对比现有技术，本发明解决了低频天线尺寸大的问题，并具有抗干扰、保密性强、便携性和小型化的优点。

Description

一种基于人体的天线系统设计方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于人体的天线系统设计方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着现代科学技术的不断发展，现代社会已经发展为高科技的电子化、信息化社会。对于通信设备的要求也越来越高，尤其是在总体设计方面，如小型化、抗干扰性和保密性强等。如何满足现代社会对于通信设备的需求，是每个设计人员所面临的重要课题。
随着通信领域的高度发展，各类复杂的通信系统层出不穷，其工作频段一般都属于UHF(300-3000MHz)。由于各类通信系统的工作频段相互重叠，导致信号相互干扰，也存在信号保密性差等问题。在某些领域的通信系统(如：电台的工作频率属于UHF(300-3000MHz))对抗干扰性和保密性提出了很高的要求，需要在复杂的自然环境和复杂的电磁环境下工作。然而，由于其工作频率和复杂的电磁环境中的电磁波频段相重叠，导致在信号传输过程中存在干扰和保密性差的问题，此类问题很难从根本上解决。
为了解决上述问题，可将对抗干扰性和保密性要求比较高的通信系统的工作频段降至≤50MHz。根据天线理论的分析，能够工作于≤50MHz的天线的长度至少为1.5m，然而某些领域的通信系统对天线系统的便携性提出很高的要求，而这样大尺寸的天线不满足便携性的要求。
因此，实现一种工作于≤50MHz频段的便携小尺寸的天线系统，对于对抗干扰性、便携性和保密性要求比较强的通信系统具有十分重要的意义。
发明内容
针对≤50MHz低频段天线尺寸大、便携性差的问题，本发明提出了一种基于人体的天线系统设计方法，该系统具有抗干扰、保密性强和小型化等优势。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
所提出的基于人体的天线系统同时具有信号发射和信号接收两个功能。当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成；当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
(1)发射天线：
当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成。
所述信号发射模块包括：信号源电路、信号调制电路和功率放大电路。其中，信号源电路产生信号如音频信号，视频信号以及其他有用信号并且将此信号进行预处理；信号调制电路是将信号源电路处理之后的基带信号调制于载波(≤50MHz)上；功率放大电路用于提高信号的功率。
由于人体天线的输入阻抗和信号发射模块的输出阻抗不匹配会造成天线辐射效率低，因此通过计算和测量得到人体输入阻抗的Smith圆图，在此基础上设计出阻抗匹配电路与信号发射模块输出阻抗匹配，用于增加人体天线的辐射效率。所述阻抗匹配模块包括：阻抗Z1、Z2。
所述可穿戴电极，材料为金属铜薄膜，包括：横向贴附在人体脚踝处一定宽度的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部一定宽度的金属薄膜条。两者共同构成T型金属薄膜电极，以增加天线的辐射效率。
(2)接收天线：
当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
由于天线的互易原理，当人体天线作为接收天线时的电极与上述当人体天线作为发射天线时的电极相同。因此，所述可穿戴电极同为横向贴附在人体脚踝的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部的金属薄膜条。
所述阻抗匹配模块，与上述发射天线中的阻抗匹配模块相同，由阻抗Z1、Z2构成。
所述信号接收模块，包括：第一、二级信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、第三级信号放大电路以及储存和显示接收信号的电路。
有益效果：
(1)抗干扰。在某些领域，对通信系统的抗干扰性要求比较高。而各类通信系统一般都工作于UHF(300-3000MHz)下，由于此通信系统与各类通信系统的工作频段相互重叠，因此造成了很大的干扰。本发明提出的基于人体的天线系统工作于低频频段，避免了各类通信系统的干扰。
(2)保密性强。在某些领域，对通信系统的保密性要求比较高。而各类通信系统一般都工作于UHF(300-3000MHz)下，由于此通信系统与各类通信系统的工作频段相互重叠，因此存在保密性差的问题。本发明提出的基于人体的天线系统工作于低频频段，降低了被截获的可能性。从而增强了传播信息的保密性。
(3)小型化。为了增强通信系统的抗干扰性和保密性，将通信系统的工作频段降至≤50MHz的低频频段。而根据天线理论分析，低频段的天线尺寸大(≥1.5m)，大尺寸的天线很难满足天线系统的便携性要求。因此本发明方法提出直接将人体作为工作于≤50MHz低频频段的天线，避免了由于工作频段低造成的天线尺寸大。解决了便携性差的问题。
附图说明
图1为人体天线系统的总体工作流程图(a)和总体模型图(b)。
图2为穿戴在人体上的天线装置模型图。
图3为人体天线系统中发射天线的信号发射模块构成图。
图4为人体天线系统的阻抗匹配模块构成图(a)和人体输入阻抗的Smith圆图(b)。
图5为人体天线系统中接收天线的信号接收模块构成图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
所提出的基于人体的天线系统同时具有信号发射和信号接收两个功能，总体工作流程如图1(a)所示。首先，由信号发射模块调制基带信号于50MHz频段，经阻抗匹配模块、可穿戴电极，由人体发射出去；而后，再由人体接收，经可穿戴电极、阻抗匹配模块，最后由信号接收模块进行解调、放大及显示等处理。
基于人体的天线系统的总体模型如图1(b)所示，当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成；当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
(1)发射天线：
当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成。其中，穿戴在人体上的天线装置1-1的结构示意图如图2所示，具体包括信号发射模块2-1、同轴电缆2-2、阻抗匹配模块2-3、和可穿戴电极2-4。
所述信号发射模块2-1的结构示意图如图3所示。包括：信号源电路、信号调制电路和功率放大电路。其中信号源电路主要将如音频信号，视频信号以及其他有用信号进行预处理。信号调制电路是将预处理后的基带信号调至在50MHz的载波上。由于调制之后载有基带信号的载波功率过小，功率放大电路用于提高信号源输出小功率信号的功率。
所述阻抗匹配模块2-3的结构示意图如图4(a)所示，包括：阻抗Z1、Z2。首先，计算和测量出人体的输入阻抗ZL，由Smith圆图显示出50MHz频点下人体的输入阻抗ZL如图4(b)，A点所示。而后，基于A点的人体输入阻抗，设计与人体输入阻抗匹配的阻抗匹配模块4-1。
所述可穿戴电极2-4，材料为金属铜薄膜，包括：横向贴附在人体脚踝处一定宽度的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部一定宽度的金属薄膜条，两者共同构成T型金属薄膜电极，以增加天线的辐射效率。
(2)接收天线：
当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
所述的接收天线中，穿戴在人体上的天线装置1-2的结构同1-1相同；阻抗匹配模块的结构同2-3相同，可穿戴电极的结构同2-4相同。
所述信号接收模块的结构示意图如图5所示，包括：第一、二级信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、第三级信号放大电路以及储存和显示接收信号的电路。具体过程为：信号经过第一、二级放大电路放大一定倍数，经滤波电路滤除杂波，再由信号解调电路将基带信号从载波中解调出来。而后，经第三级放大电路放大，最后由信号显示电路将基带信号重现出来。
综上所述，以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：所提出的基于人体的天线系统同时具有信号发射和信号接收两个功能。当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成；当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
(1)发射天线：
当作为发射天线时，人体天线主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极和人体等构成。
所述信号发射模块包括：信号源电路、信号调制电路和功率放大电路。其中，信号源电路产生信号如音频信号，视频信号以及其他有用信号并且将此信号进行预处理；信号调制电路是将信号源处理之后的基带信号调制于载波(≤50MHz)上；功率放大电路用于提高信号的功率。
由于人体天线的输入阻抗和信号发射模块的输出阻抗不匹配会造成天线辐射效率低，因此通过计算和测量得到人体输入阻抗的Smith圆图，在此基础上设计出阻抗匹配电路与信号发射模块输出阻抗匹配，用于增加人体天线的辐射效率。所述阻抗匹配模块包括：阻抗Z1、Z2。
所述可穿戴电极，材料为金属铜薄膜，包括：横向贴附在人体脚踝处一定宽度的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部一定宽度的金属薄膜条。两者共同构成T型金属薄膜电极，以增加天线的辐射效率。
(2)接收天线：
当作为接收天线时，人体天线主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块和信号接收模块等部分构成。
由于天线的互易原理，当人体天线作为接收天线时的电极与上述当人体天线作为发射天线时的电极相同。因此，所述可穿戴电极同为横向贴附在人体脚踝的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部的金属薄膜条。
所述阻抗匹配模块，与上述发射天线中的阻抗匹配模块相同，由阻抗Z1、Z2构成。
所述信号接收模块，包括：第一、二级信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、第三级信号放大电路以及储存和显示接收信号的电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：
所述发射天线中的信号发射模块：
主要由信号源电路、信号调制电路和功率放大电路构成，其中信号源电路主要将如音频信号、视频信号以及其他有用信号进行预处理；信号调制电路是将预处理之后的基带信号调至在≤50MHz的载波上；功率放大电路用于放大调制之后载有基带信号的载波功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：所述阻抗匹配模块，由交流信号源、人体输入阻抗ZL、阻抗匹配电路(Z1和Z2)构成。其中人体的输入阻抗值ZL通过测量确定，阻抗Z1、Z2的阻抗值由人体的输入阻抗ZL来决定，信号交流源为人体输入阻抗ZL和阻抗匹配电路提供激励。
4.根据权利要求1所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：所述可穿戴电极，材料为金属铜薄膜，包括：横向贴附在人体脚踝处一定宽度的金属薄膜环和竖向贴附在人体腿部一定宽度的金属薄膜条。两者共同构成T型金属薄膜电极，以增加天线的辐射效率。
5.根据权利要求1所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：所述接收天线的信号接收模块，具体包括：第一、二级信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、第三级信号放大电路以及储存和显示接收信号的电路。信号接收模块的工作过程为：信号经过第一、二级放大电路放大一定倍数，经滤波电路滤除杂波，再由信号解调电路将基带信号从载波中解调出来。而后，经第三级放大电路放大，最后由信号显示电路将基带信号重现出来。
6.根据权利要求1所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：人体可作为工作于低频频段(≤50MHz)的天线，可用来发射和接收信号。
7.如权利要求1、2、3、4、5和6所述的一种基于人体的天线系统设计方法，其特征在于：
本发明公开的一种基于人体的天线系统设计方法将人体作为天线工作于≤50MHz低频频段，用来进行信号发射和接收。当人体天线作为发射天线时主要由信号发射模块、阻抗匹配模块、可穿戴电极、人体等构成；当人体天线作为接收天线时主要由人体、可穿戴电极、阻抗匹配模块、信号接收模块等部分构成。对比现有技术，本发明解决了低频天线尺寸大的问题，并具有抗干扰、保密性强、便携性和小型化的优点。
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