基于表面波導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制進行快速估計.

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

中圖分類號：TN011 文獻標識碼：A

但是文獻[1]和文獻[2]中的模型相對于人體的復雜結(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)表面波導的人體通信理論模型（該文獻已被期刊錄用，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)表面波導人體通信模型在刻畫電磁波信號在人體表面的傳輸機制的準確性方面優(yōu)于文獻[1]和文獻[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制進行快速估計.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，則認為該理論模型能夠反映電磁波傳播的實際情況.

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的電磁場幅值.通過對這些數(shù)據(jù)進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?，但是不考慮肌肉層將使計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差.由此可認為，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的內(nèi)涵.根據(jù)表面波導理論，電磁波將在介質(zhì)分界面上傳播[9]，所以事實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?，并可以通過調(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制分析的準確性上都優(yōu)于文獻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制進行快速估計.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制的一些詳細信息，人體通信中的電磁波信號不僅在皮膚表面?zhèn)鞑?，而且也將在較為淺層的人體介質(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.

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