1.简介
体内通信（IBC）为穿戴式和植入式生物医学传感器提供了一种极具吸引力的无线连接，用于无处不在地监测患者的生理参数。由于其能效和安全特性[1,2]在IEEE 802.15.6（WBAN）标准中，IBC被选为物理层候选。IBC使用人体组织作为信号传输介质，通常分为两类：电流耦合和电容耦合[三]. 电流耦合使用与受试者皮肤直接接触的电极[4,5]而电容耦合的信号电极可以直接连接到皮肤上，也可以用衣服或绝缘体将其与皮肤隔开[6]. 此外，电容耦合具有更高的增益和相对更高的工作频率范围，介于1到100 MHz之间，从而实现更高的数据传输速率[7,8,9,10]功耗更低[1]而不是电流耦合方法。因此，电容耦合一直是IBC领域最活跃的研究课题之一，主要集中于信道建模[10,11,12,13,14,15,16]，测量[17,18]物理原理分析和原型开发[19,20]到目前为止。 传统电容耦合IBC，如所示图1Zimmerman于1995年提出[21]. 对于中的电场模型图1a、 发射机和接收机的信号（SIG）电极连接在身体上，而地面（GND）电极则漂浮在空中。在这种情况下，人体被建模为完美导体的节点，收发机电极、身体和接地层之间的电耦合被建模为电容器。在图1b、 相应地给出了一个等效电路模型。如图所示，各种电极对的电容对确定路径传输增益起着关键作用，这对IBC系统的尺寸和功耗都有显著影响。因此，电极的配置显然被认为是IBC系统中最重要的考虑因素[1] . 对电容耦合IBC的电极结构进行了一些研究。在[13]提供了电容式IBC发射机的信号接地电极和电极皮肤电极的阻抗。电容性IBC信道的传输增益在[15]频率范围为100kHz至100MHz，与水平和垂直电极设置以及三电极材料有关。年，研究了发射机/接收机GND电极和外部接地板之间的回路寄生电容引起的能量损失[22]. 然而，对于发射机SIG和GND电极之间的寄生电容（称为等效电容）的影响，还缺乏研究A类在里面图1.寄生电容器A类与信号源并联时，可能会直接从SIG向GND电极泄漏位移电流，从而导致内部功耗增加和传输增益损失。虽然发射机SIG-GND电极之间的寄生电容已在[12,13,21,23]到目前为止，它们对功耗和传输增益的影响以及相应的解决方案还没有得到充分的研究。 在这项研究中，我们的第一个目标是分析电容耦合IBC发射机电极之间的寄生电容引起的功耗。其次，我们打算提出一种使用电容反射器方案的电极配置[24]以减少此类功率损失。考虑到垂直电极（平行板结构）[1,12,13,22,23,24,25]发射机的最佳配置是传输增益[1]以及系统尺寸，以及垂直电极具有最小的板间距，因此系统中的能量损失较大，因此我们的研究重点是发射机的垂直电极结构。 本文组织如下：第2节从电路模型的角度介绍了寄生电容的影响和电有源屏蔽的理论。在第3节建立了电容耦合IBC的有限元模型，并进行了仿真，从电场强度分布的角度评估了屏蔽电极的作用。第4节使用电池供电的原型发射器对屏蔽电极进行了实验验证。第5节给出了本文的最终结论。 2.电极寄生电容和电有源屏蔽的影响
并联结构中的垂直电极板对在概念上等效于电容器。理想情况下，自由空间中垂直电极的寄生电容与其极板面积成正比，与极板间距成反比。当交流信号源施加到板上时，位移电流流过板，如所示图2a.等效电路模型见图2b、 其中平行板建模为电容器C类A类当平行板放置在人体上时，如图2c、 信号源提供的电流分为两个分支：一部分电流直接流过平行板，另一部分电流通过人体的正向路径，然后通过从地平面到信号源负端口的返回路径。因此，建立了一个简化的电路模型图2d、 其中C类F类和C类R（右）分别是正向路径和反向路径的等效电容器。显然，电容器C类A类用C类F类以与信号源内部阻抗相同的方式导致功率损失。因此，希望找到一种解决方案，将流经电容器的内部位移电流（IDC）降至最低C类A类以降低功耗。 受美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心提出的电有源屏蔽（或电容反射器）概念的启发[24]，在IBC发射机的电极配置中引入电容屏蔽电极，以降低IDC，如所示图3NASA电容反射器的目标是开发一种近距离传感皮肤，使机器人能够感应入侵物体，而不会在一只脚的范围内出现盲点。它使用一个由反射元件支撑的电容传感元件，反射元件由与传感电极相同的电压驱动。作为一个屏蔽物，将所有场线反射到远离接地机器人手臂的位置，传感器的范围可以扩大。在我们的研究中，屏蔽用于降低IDC；因此可以降低IBC系统的功率损耗。 如所示图3a、 IBC变送器的屏蔽电极与GND电极尺寸相同，并置于SIG-GND电极之间。此外，采用隔离放大器（IA）连接SIG和屏蔽电极，使两个电极的电压保持在相同的幅值和相位。GND和屏蔽电极之间的电容和IA的输入阻抗称为C类S公司和Z轴IA公司分别为。建立了屏蔽发射电极的模型及其简化电路图3b.可以看出C类S公司和Z轴IA公司串联，因此当Z轴IA公司介绍了。由于IA的输入阻抗高达10 GΩ，因此从SIG流向GND电极的IDC可以忽略不计。 为了定量地说明屏蔽电极的作用，基于Zimmerman的传统模型，研究了接收电流与源电流之比或电流传输增益。电路图1b可以进一步描述为图4，其中电容器C类A类被替换为C类S公司和Z轴IA公司当研究屏蔽电极时。 由于信号源和电容器C类A类都是并联的，可以用电流源进行分析。根据基尔霍夫电流定律图4表示如下：哪里Z轴B类，Z轴C类，Z轴D类，Z轴E类，Z轴F类，Z轴H、，Z轴G公司是电容器的阻抗C类B类，CC类，CD类，CE类，CF类，CH、，C类G公司分别是。Z轴1,Z轴2和Z轴三可以写为：和Z轴整数是SIG-GND电极之间寄生电容的阻抗，由下式给出：实际上，屏蔽电极和GND电极之间的距离可视为SIG和GND之间的距离，因此 因此，基于（1）中的方程组，传输电流增益的传递函数可以写为： 从方程（5）可以看出，电流增益与Z轴整数表明引入屏蔽电极提高了增益。
为了评估屏蔽电极对功耗的影响，使用了软件Multisim。Multisim（National Instruments，Austin，TX，USA）是一个电子原理图捕获和模拟程序，使用了原始的Berkeley SPICE软件。使用SPICE模拟电路是行业标准的方法，用于在投入制造之前验证晶体管级别的电路操作。它提供了一种可靠的方法来实现电路的功耗，同时考虑了隔离放大器的功耗。传统的IBC电路模型是在Multisim workbench中构建的，如所示图5为了进行分析，信号源等效地从电流源转换为电压源，内部电阻串联。使用模拟设备的芯片AD8005作为隔离放大器，其带宽为270 MHz，最大电源消耗为2 mW。由于人体模型和Multisim中接收器的等效电路与图4，电路的其余部分表示为中的灰色矩形图5电路的总功耗定义为：哪里是信号源的复合有效电压是信号源有效电流的复共轭，是隔离放大器的直流电源我直流电是其供电电流。 方程（6）中的功耗是用发射电极的扫频和电容来模拟的。当信号频率从100 kHz增加到50 MHz时，功耗如下所示图6a.结果表明，当频率大于300KHz时，使用屏蔽电极可以显著降低总功耗。此外，电容器C类A类在10 MHz的频率点上从30 pF到10 nF变化，以模拟各种电极配置条件，即电极尺寸、距离等。计算结果为图6b表明，有屏蔽电极时的功耗比没有屏蔽电极时要小得多。因此，寄生电容的影响C类A类功率消耗是不可忽略的，屏蔽电极可能是减少此类损耗的可行解决方案之一。 值得注意的是，虽然上述结果是基于Zimmerman提出的具有人体特定参数的传统集总电路模型得出的，但该结论也适用于其他人体分布式电路模型，由于平行连接的性质，信号源的寄生电容由极板引起。
3.使用有限元方法进行验证
已经证明，有限元方法可以正确地对包含发射器电极的电容通道进行建模[11,12]. 为了更真实地研究屏蔽电极对传输增益的影响，相应地使用了ANSYS-Maxwell。ANSYS Maxwell是一个有限元模拟软件，能够在规定的边界条件下求解有限区域和体积内的磁场或电场分布。在研究中，使用Maxwell有限元软件比较了是否具有屏蔽电极的人体周围电场分布的差异。 3.1. 有限元模拟模型和设置
建立了包括外部接地平面、空气、人体和发射电极在内的有限元模型和仿真环境图7地面被建模为直径640厘米、高度300厘米的圆柱体。人体与外部地面由2厘米高的橡胶隔开，模拟鞋子的效果。周围的空气，也被建模为圆柱体，被设计成与地平面相同的尺寸。垂直配置的发射电极放置在人体左手腕上，信号电极设置在人体上方0.5 cm，以模拟非接触电极设置。其他规格和尺寸见图7b。 人体模型由头部、颈部、胸部、手臂和腿部组成。它被建模为具有多层皮肤、脂肪、肌肉和骨骼的同心圆柱体或球体，如所示图7b.不同身体部位组织层的厚度定义见表1，其电气参数保持与中相同[22]. 传统电容式IBC电极的垂直配置由SIG和GND电极组成，如所示图8a.与传统垂直电极配置略有不同，SIG和GND电极之间引入了额外的电极或屏蔽电极，如所示图8b.屏蔽和GND电极的尺寸相同，为3 cm×3 cm，间距为0.2 cm。为了减少SIG边缘到GND电极之间的寄生电容，SIG电极的尺寸设置为小于屏蔽电极，尺寸为3 cm x 3 cm。电极也由厚度为0.1 cm的铜制成。在3D FEM软件中，静电溶液类型被选为求解器，电位差为5作为电压励磁。 对于带有屏蔽电极的结构，为了保持相同的电势，SIG和屏蔽电极都施加电压激励。此外，为了模拟人体组织在不同频率下的色散特性，根据[22]，并配置为每个频率点的人体组织层。 3.2. 模拟结果和讨论
10 MHz时人体周围电场强度分布的典型模拟结果如所示图9. 图9a显示了无屏蔽电极时场强分布的冠状视图，以及图9b显示了相应的横视图。同样，图9c、 d分别在冠状和横切面上显示屏蔽电极的电场强度分布。通过比较两排，可以发现人体周围明亮的颜色区域图9c、 d往往比图9a、 b，这意味着将屏蔽电极引入发射机后，人体周围的电场强度得到了提高。 为了进一步定量研究屏蔽电极对不同频率下电场强度分布的影响，人体周围的四个典型位置P1（头部）、P2（手臂）、P3（胸部）和P4（腿部），如图7b、 选择进行比较。模拟结果如所示图10其中，标准化电强度值用于在有和无屏蔽电极的条件下以及在100 kHz至50 MHz的频率范围内进行比较。每个图的顶部还显示了使用屏蔽电极时电场强度值相应增加的百分比。图10a–d表示分别在P1、P2、P3和P4位置测得的模拟电场强度。可以看出，通过使用屏蔽电极，所有四个位置的电场强度都增加了约70%。 当接收电极放置在人体上时，人体和接收电极之间建立了等效电容器。考虑到使用交流信号作为发射器电极上的激励源的现实情况，位移电流流过接收器电极。根据电磁场的基本原理，位移电流的关系电容器内部的电场强度可以写为：哪里是介电常数，是接收器SIG电极的面积是电场。因此，位移电流与电场强度成正比。因此，基于人体附近电场强度的增加，可以得出结论，使用该方法可以提高IBC在位移电流方面的传输增益。 4.实验验证
为了进一步验证该假设，使用带有和不带屏蔽电极的发射器装置进行了实验。
4.1. 变送器装置
发射机是一个电池供电模块，由一个3 cm×3 cm的铜接地电极、一个3厘米×3 cm铜屏蔽电极、一块3 cm×3cm的铜SIG电极和一个激励信号发生器板组成，如所示图11.在没有屏蔽电极的情况下进行实验时，中间板图11a已删除。 屏蔽电极下方的信号发生器板如所示图11c.它由AD9854直接数字合成器（DDS）、STM32微控制器（MCU）、基于AD8045的放大滤波模块、基于AD80 45的屏蔽驱动模块和按钮电池组成。DDS由MCU控制，以提供频率范围为100 kHz至50 MHz的可编程正弦波信号。输出的正弦波被放大和滤波，然后同时连接到SIG电极和屏蔽模块。SIG-GND电极之间的信号电压为5 V。信号发生器的详细功能框图如所示图10d.垂直配置的接收器电极，如所示图11b、 选择以拾取从源发送的信号。它由一个SIG和一个尺寸为3 cm×3 cm、间距为0.5 cm的GND电极组成。此外，还使用一个SMA端口和一根电缆连接到测量设备。 4.2. 测量设置
实验设备包括两种类型的电池供电发射机（带和不带屏蔽电极）：接收机和频谱分析仪（安捷伦N9030A，安捷伦科技公司，美国加利福尼亚州圣克拉拉）。为了隔离GND电极和仪器接地，采用不间断电源系统（UPS、APC RS1000、APC By Schneider Electric，West Kingston，RI，USA）为频谱分析仪供电。选择一名身高175厘米、体重75公斤的男性受试者进行实验。发射器放在手腕上，选择身体不同部位的四个位置（P1、P2、P3和P4）放置接收器电极，然后将其连接到频谱分析仪，如所示图12a.为了评估总功耗，在电池正极端口和变送器之间插入一个电流表（型号WR5145-PR-5V，中国广州BBYE公司），如所示图12b.电流表的电流输入范围为0至200 mA，分辨率为0.01 mA。功耗通过测量电流与万用表读取的电池电压的乘积计算得出。 4.3. 结果和讨论
测量结果如所示图13，其中图13a–d分别比较了P1（头部）、P2（手臂）、P3（胸部）和P4（腿部）四个代表性位置的接收功率。在典型频率点测量结果，包括100、200、500 kHz、1、2、5、10、20、30和50 MHz，无论发射机上有屏蔽电极还是没有屏蔽电极。 可以发现，在大多数频率范围内，使用带有屏蔽电极的发射机测得的接收功率比不带屏蔽电极的接收机大约5.5 dBm。通过这些观察，4个位置的测量结果与仿真结果一致，表明发射机SIG-GND电极之间的屏蔽电极可以有效提高电容IBC传输增益。
上述典型情况下的平均节电量是通过从没有屏蔽电极的情况下减去有屏蔽电极的功耗得到的。在100 kHz至50 MHz的频率范围内测量到的功率节省显示在图14表明屏蔽电极可以降低总功耗，特别是在高频区。同时，通过引入所提出的有源屏蔽方法，也提高了传输增益。 5.结论
本文提出了一种用于发射电极的电主动屏蔽方法，试图提高电容耦合IBC的功率效率。该方法首先通过电路分析，使用Zimmerman的传统模型进行研究。评估了发射机SIG-GND电极之间的内部位移电流引起的功耗，并通过电路模型解释了屏蔽电极的基本理论。其次，利用ANSYS Maxwell有限元仿真软件，从电场强度分布的角度进行了进一步的验证。最后，利用电池功率变送器和频谱分析仪进行实验，验证了屏蔽电极对传输增益和总功耗的影响。在100kHz至50MHz的频率范围内，在人体周围的四个代表性位置上以及在有屏蔽电极和没有屏蔽电极的发射器的两种条件下进行了模拟和比较。仿真结果表明，使用屏蔽电极后，人体附近的电场强度提高了约70%。同样，与不使用屏蔽电极的情况相比，使用屏蔽电极时，实验中的接收功率增加了5.5 dBm，而总功耗减少了9 mW。仿真和实验结果均表明，在发射机的SIG-GND电极之间使用屏蔽电极是提高电容耦合IBC能量效率的可行解决方案。该方法可以为可穿戴和可植入式医疗传感器网络提供物理层的节能选项。
