Modelling of the human arm for wearable passive UHF RFID tag applications

Abstract

Radio frequency identification (RFID) technology is rapidly emerging within bio-medical engineering applications. Particularly in harsh and challenging environments, RFID provide fast and reliable item identification and tracking solution. In a typical RFID system objects to be identified are marked with tags, consisting of an antenna and an integrated circuit. The tags are wirelessly read by a stationary reader unit. In the future, wearable RFID tags integrated into daily clothing could provide multi-functional garments for real-time remote bio-monitoring of humans without any human involvement. At ultra-high frequencies (UHF) the human body is electrically a challenging application environment for the tag due to its high permittivity and high losses. Modelling of the human body for UHF is not a straightforward task. The body in close proximity tends to interact with the tag in a disadvantageous manner, resulting in severe overall tag performance degradation. However, an accurate human model is of paramount importance for future design and optimisation of wearable antennas. In this project, a novel wireless approach is used to develop a UHF human arm model for wearable antenna applications. A reference tag is designed and its response is practically measured when the tag is directly attached to the human arm. The response serves as a reference response. A simple homogenous cylinder is used in electromagnetic simulations to represent the human arm. The cylinder material is defined with the electrical parameter variables effective relative permittivity, ɛr,eff, and loss tangent, tan δ. The reference tag is simulated on the cylinder. By adjusting the variables εr,eff and tan δ properly, agreement is found between the reference response and the simulated tag response on the cylinder. The approach eliminates the need for any information about the electrical parameters of a particular tissue type. Further, the wireless approach removes the need for baluns or fixture required in wired tag antenna input impedance measurements. It is verified that the developed UHF human arm model is able to predict the wearable tag performance on the human arm with ±3 dB accuracy over the frequency band 800–1000 MHz. The simple human arm simulation model can hereby be used as a powerful tool for future wearable antenna design and optimisation.

Radiotaajuinen tunnistustekniikka (engl. Radio Frequency Identification, RFID) löytää yhä enemmän ja enemmän sovelluskohteita lääketieteellisessä tekniikassa. Erityisesti vaikeissa sekä haastavissa ympäristöissä RFID mahdollistaa kohteen nopean ja luotettavan tunnistus- sekä seuranata-ratkaisun. Tyypillisessä RFID järjestelmässä tunnistettavat kohteet merkitään tunnisteilla, jotka koostuvat tunnisteantennista sekä mikropiiristä. Tunnisteita luetaan langattomasti stationaarisella lukijalaitteella. Tulevaisuudessa, vaatteisiin integroidut puettavat RFID tunnisteet mahdollistavat monitoimi-vaatekappaleita ihmisten langatonta ja reaaliaikaista biomonitorointia varten. UHF taajuuksilla (0.3–3 GHz) ihmiskehon korkea permittiivisyys sekä korkeat häviöt muodostavat sähköisesti haastavan sovelluskohteen tunnisteelle. Ihmiskehon mallintaminen UHF taajuuksille ei ole suoraviivainen tehtävä. Ihmiskeho vaikuttaa tämän lähistössä olevaan tunnisteeseen epäedullisesti, johtaen tunnisteen suorituskyvyn vakavaan heikkenemiseen. Tulevaisuudessa, ihmiskehon mallintaminen on kuitenkin erittäin tärkeä osa puettavien antennien suunnittelussa ja optimoinnissa. Tässä työssä esitetään uudenlainen langaton lähestymistapa ihmiskäsivarren mallintamiseen puettaville UHF sovelluksille. Tarkoituksena on mitata referenssitunnisteen vaste tunnisteen ollessa kiinni käsivarressa ja hyödyntää mitattua referenssivastetta mallin rakentamiseen. Käsivarsi mallinnetaan kenttäsimulaattorissa yksinkertaisella homogeenisella lieriöllä. Lieriölle annetaan sähköiset parametrimuuttujat suhteellinen permittiivisyys, εr,eff, sekä häviökerroin, tan δ, kuvamaan lieriön materiaalisisältöä. Asettamalla sähköisten parametrimuuttujien arvot oikein, referenssitunnisteen simuloitu vaste saadaan yhteensopivaksi mitatun referenssivasteen kanssa. Käytetty lähestymistapa ei vaadi tietämystä yksittäisten kudoksien sähköisistä ominaisuuksista tai kudoksien suuruuksista. Lisäksi esitetyssä langattomassa menetelmässä ei tarvita baluunia tai erillistä kiinnityskappaletta, toisin kuin tunnisteantennin sisäänmenoimpedanssin mittauksissa. Työssä vahvistetaan, että suunniteltu ihmiskäsivarren malli UHF taajuuksille kykenee ennustamaan puettavan tunnisteen suorituskyvyn ihmiskäsivarressa ±3 dB:n tarkkuudella taajuuskaistalla 800–1000 MHz. Suunniteltua yksinkertaista ihmiskäsivarren simulointimallia voidaan näin ollen jatkossa hyödyntää tehokkaana työkaluna puettavien antennien suunnittelussa sekä optimoinnissa.