1、1基于表面波导的简化人体通信理论模型摘要：原有人体通信理论模型存在着计算时间长、消耗资源多的问题.为了简化计算，提出了一种基于分层介质波导理论的简化人体通信理论模型.由于在理论模型和数值模型的衰减常数计算中均发现五层、四层和三层模型的结果一致，而二层模型的结果与其他模型相差较大.这从理论和实验两方面证明了三层模型在计算精度和效率方面取得了平衡，可作为简化人体通信理论模型使用.该简化模型在保持与原有五层模型相同计算精度水平的同时，计算时间为原模型的 0.216 倍，将计算效率提高了 5 倍，可用于对人体通信传输机制进行快速估计. 关键词：人体通信；分层介质；表面波导；衰减常数；传输机制 中图分类
2、号：TN011 文献标识码：A 但是文献1和文献2中的模型相对于人体的复杂结构显得过于简单，不能精确地刻画出电磁波在人体上的传输机制.为了解决上述模型中存在的问题，本文作者提出了一种基于分层介质表面波导的人体通信理论模型（该文献已被期刊录用，尚未发表）.该模型由皮肤、脂肪、肌肉、骨质和骨髓 5 层介质组成，和人体结构基本相同.分层介质表面波导人体通信模型在刻画电磁波信号在人体表面的传输机制的准确性方面优于文献1和文献2中的模型.但该模型求解过程本质上是一个 20 阶矩阵的特征值的求解问题，在计算过程中需要耗费大量的时间和计算资源.本文在作者提出的人体通信理论模型的基础上，通过简化模型层次，得到
3、了2一种简化的表面波导人体通信理论模型.该简化模型在保持较高精度的前提下大大减少了计算时间，可用于对电磁波在人体表面的传输机制进行快速估计.有限元数值模型将被用来得到人体表面的电磁场分布和验证简化表面波导人体通信理论模型的正确性.2 人体通信数值模型 2.1 数值模型的意义 在电磁场研究中，还需要用到电磁场的数值模型来得到电磁场幅值的分布和佐证理论模型正确性1，7-8.数值模型只能得出电磁场在空间中的分布情况，却无法探知电磁场传播的内在规律；同时孤立的理论模型则无法自证其得出结果的正确性.所以本文中同时使用这两种电磁场模型，如果二者出现的现象一致，则认为该理论模型能够反映电磁波传播的实际情况.
4、 2.2 人体手臂电磁场数值模型 人体手臂数值模型由圆柱组成，模型的尺寸、层次和介质参数与理论模型完全相同.为了使发射器产生的非稳定传输模式电磁波信号被有效衰减，模型长度需大于 1/4 波长，所以本文设置模型长度为 1 m.模型外围被空气柱所包围，空气柱表面为辐射边界，以模拟电磁场向无限远空间辐射的情况.同时，空气柱边界与模型表面的距离大于 1/2 波长，以保证计算的精度和收敛.为了与理论模型的计算结果进行对比，本文将对五层、四层、三层和二层人体手臂数值模型进行分析，得出不同层次模型在不同频率下的衰减常数情况. 3 结果与讨论 3.1 理论模型计算结果 33.2 数值模型计算结果 人体通信数值
5、模型可以计算出模型空间中每一点的电磁场幅值.通过对这些数据进行一定的处理后得到所需的电磁场传输特性.由于本文需要考察的是信号在人体表面沿手臂方向上的传输特性，所以从模型中提取的是不同层次模型表面传播方向直线上的电磁场幅值.下面以五层模型150 MHz 下的相对电场幅值作为示例，结果如图 3 所示. 图 3 中的相对电场幅值呈分段线性，这与理论模型计算结果中仅有0 阶模式的电磁波有解的结论相符.在分段线性曲线的前一段中，电磁场幅值下降较快，这是因为在发射的电磁波信号中，仅有 0 阶模式的电磁波可以稳定传输，其他模式的电磁波均迅速衰减，导致了信号幅值整体的快速下降；在分段线性曲线的后一段中，电磁场
6、幅值的下降开始变得缓慢，其原因是其他模式的电磁波均已衰减完毕，仅剩下 0 阶模式的电磁波在稳定传播.通过对曲线第二部分进行线性拟合即可得到电磁波稳定传输模式下的衰减常数，拟合情况如图 3 所示. 通过观察不同层次的理论模型和数值模型的计算结果可知，骨骼是否存在对人体通信信号传输的影响不大，但是不考虑肌肉层将使计算结果产生较大误差.由此可认为，电磁波信号并不仅仅在皮肤表面传播，同时也将在较为浅层的人体介质（脂肪、肌肉等）中传播，但较深层次的介质（骨质、骨髓等）对信号传播的影响不大.而在以往的人体通信模型和理论研究中，由于模型结构过于简单，在模型上仅能观察到电磁波信号在皮肤和空气的分界面上传播1-
7、2.因此相关研究者也就认为人体通信信号仅在人体表面传播.但这仅仅是从字面理解了表面波导的内涵.根4据表面波导理论，电磁波将在介质分界面上传播9，所以事实上人体中的皮肤和脂肪的分界面，以及脂肪和肌肉的分界面也可作为电磁波传播的途径.本文能得出比以往研究中更精确的人体通信传输机制的原因主要是采用了层数可调的分层介质表面波导人体通信模型，该模型能够有效地刻画皮肤、脂肪、肌肉、骨质、骨髓等介质对人体通信信号传输的影响，并可以通过调整模型层数来分析不同介质层在通信中的作用.综上所述，简化人体通信理论模型，无论从计算精度上还是传输机制分析的准确性上都优于文献 1中模型. 4 结论 本文提出了一种基于分层介
8、质表面波导理论的简化人体通信理论模型，它在保证计算精度的前提下，计算时间仅有原有五层人体通信理论模型的 1/5 左右，非常适合用于对人体通信的传输机制进行快速估计.同时，通过对比五二层人体通信理论模型和数值模型的计算结果，得出了关于人体通信信号传输机制的一些详细信息，人体通信中的电磁波信号不仅在皮肤表面传播，而且也将在较为浅层的人体介质（例如脂肪、肌肉等）中传播，但较深处的骨骼并不会对信号传输产生影响.然而，由于人体通信理论模型基于无限长度的假设，这将会使计算的结果产生一定的误差，未来针对这一局限将做出改进. 参考文献 1WANG J Q， NISHIKAWA Y， SHIBATA T. An
9、alysis of onbody transmission mechanism and characteristic based on an electromagnetic field approachJ. IEEE Transactions on 5Microwave Theory and Techniques， 2009， 57（10）：2464-2470. 摘要：原有人体通信理论模型存在着计算时间长、消耗资源多的问题.为了简化计算，提出了一种基于分层介质波导理论的简化人体通信理论模型.由于在理论模型和数值模型的衰减常数计算中均发现五层、四层和三层模型的结果一致，而二层模型的结果与其他模型
10、相差较大.这从理论和实验两方面证明了三层模型在计算精度和效率方面取得了平衡，可作为简化人体通信理论模型使用.该简化模型在保持与原有五层模型相同计算精度水平的同时，计算时间为原模型的 0.216 倍，将计算效率提高了 5倍，可用于对人体通信传输机制进行快速估计. 关键词：人体通信；分层介质；表面波导；衰减常数；传输机制 中图分类号：TN011 文献标识码：A 但是文献1和文献2中的模型相对于人体的复杂结构显得过于简单，不能精确地刻画出电磁波在人体上的传输机制.为了解决上述模型中存在的问题，本文作者提出了一种基于分层介质表面波导的人体通信理论模型（该文献已被期刊录用，尚未发表）.该模型由皮肤、脂肪
11、、肌肉、骨质和骨髓 5 层介质组成，和人体结构基本相同.分层介质表面波导人体通信模型在刻画电磁波信号在人体表面的传输机制的准确性方面优于文献1和文献2中的模型.但该模型求解过程本质上是一个 20 阶矩阵的特征值的求解问题，在计算过程中需要耗费大量的时间和计算资源.本文在作者提出的人体通信理论模型的基础上，通过简化模型层次，得到了一种简化的表面波导人体通信理论模型.该简化模型在保持较高精度的前提下大大减少了计算时间，可用于对电磁波在人体表面的传输机制进行6快速估计.有限元数值模型将被用来得到人体表面的电磁场分布和验证简化表面波导人体通信理论模型的正确性.2 人体通信数值模型 2.1 数值模型的意
12、义 在电磁场研究中，还需要用到电磁场的数值模型来得到电磁场幅值的分布和佐证理论模型正确性1，7-8.数值模型只能得出电磁场在空间中的分布情况，却无法探知电磁场传播的内在规律；同时孤立的理论模型则无法自证其得出结果的正确性.所以本文中同时使用这两种电磁场模型，如果二者出现的现象一致，则认为该理论模型能够反映电磁波传播的实际情况. 2.2 人体手臂电磁场数值模型 人体手臂数值模型由圆柱组成，模型的尺寸、层次和介质参数与理论模型完全相同.为了使发射器产生的非稳定传输模式电磁波信号被有效衰减，模型长度需大于 1/4 波长，所以本文设置模型长度为 1 m.模型外围被空气柱所包围，空气柱表面为辐射边界，以
13、模拟电磁场向无限远空间辐射的情况.同时，空气柱边界与模型表面的距离大于 1/2 波长，以保证计算的精度和收敛.为了与理论模型的计算结果进行对比，本文将对五层、四层、三层和二层人体手臂数值模型进行分析，得出不同层次模型在不同频率下的衰减常数情况. 3 结果与讨论 3.1 理论模型计算结果 3.2 数值模型计算结果 人体通信数值模型可以计算出模型空间中每一点的电磁场幅值.通过7对这些数据进行一定的处理后得到所需的电磁场传输特性.由于本文需要考察的是信号在人体表面沿手臂方向上的传输特性，所以从模型中提取的是不同层次模型表面传播方向直线上的电磁场幅值.下面以五层模型150 MHz 下的相对电场幅值作为
14、示例，结果如图 3 所示. 图 3 中的相对电场幅值呈分段线性，这与理论模型计算结果中仅有0 阶模式的电磁波有解的结论相符.在分段线性曲线的前一段中，电磁场幅值下降较快，这是因为在发射的电磁波信号中，仅有 0 阶模式的电磁波可以稳定传输，其他模式的电磁波均迅速衰减，导致了信号幅值整体的快速下降；在分段线性曲线的后一段中，电磁场幅值的下降开始变得缓慢，其原因是其他模式的电磁波均已衰减完毕，仅剩下 0 阶模式的电磁波在稳定传播.通过对曲线第二部分进行线性拟合即可得到电磁波稳定传输模式下的衰减常数，拟合情况如图 3 所示. 通过观察不同层次的理论模型和数值模型的计算结果可知，骨骼是否存在对人体通信信
15、号传输的影响不大，但是不考虑肌肉层将使计算结果产生较大误差.由此可认为，电磁波信号并不仅仅在皮肤表面传播，同时也将在较为浅层的人体介质（脂肪、肌肉等）中传播，但较深层次的介质（骨质、骨髓等）对信号传播的影响不大.而在以往的人体通信模型和理论研究中，由于模型结构过于简单，在模型上仅能观察到电磁波信号在皮肤和空气的分界面上传播1-2.因此相关研究者也就认为人体通信信号仅在人体表面传播.但这仅仅是从字面理解了表面波导的内涵.根据表面波导理论，电磁波将在介质分界面上传播9，所以事实上人体中的皮肤和脂肪的分界面，以及脂肪和肌肉的分界面也可作为电磁波传播8的途径.本文能得出比以往研究中更精确的人体通信传输
16、机制的原因主要是采用了层数可调的分层介质表面波导人体通信模型，该模型能够有效地刻画皮肤、脂肪、肌肉、骨质、骨髓等介质对人体通信信号传输的影响，并可以通过调整模型层数来分析不同介质层在通信中的作用.综上所述，简化人体通信理论模型，无论从计算精度上还是传输机制分析的准确性上都优于文献 1中模型. 4 结论 本文提出了一种基于分层介质表面波导理论的简化人体通信理论模型，它在保证计算精度的前提下，计算时间仅有原有五层人体通信理论模型的 1/5 左右，非常适合用于对人体通信的传输机制进行快速估计.同时，通过对比五二层人体通信理论模型和数值模型的计算结果，得出了关于人体通信信号传输机制的一些详细信息，人体
17、通信中的电磁波信号不仅在皮肤表面传播，而且也将在较为浅层的人体介质（例如脂肪、肌肉等）中传播，但较深处的骨骼并不会对信号传输产生影响.然而，由于人体通信理论模型基于无限长度的假设，这将会使计算的结果产生一定的误差，未来针对这一局限将做出改进. 参考文献 1WANG J Q， NISHIKAWA Y， SHIBATA T. Analysis of onbody transmission mechanism and characteristic based on an electromagnetic field approachJ. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2009， 57（10）：2464-2470.
