Étude de la propagation et du rayonnement pour des applications au voisinage du corps humain

Investigation on propagation and radiation for body-centric applications

• Auteur / Autrice : Qiang Zhang
• Direction : Aziz Benlarbi-Delaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, télécommunications et électronique
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et électromagnétisme (Paris ; 2009-2019)
• Jury : Président / Présidente : Ala Sharaiha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe De Doncker, Hélène Roussel, Julien Sarrazin, Massimiliano Casaletti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Migliaccio, Alain Sibille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corps humain

Antennes (électronique)

Résonance

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Mots clés libres

Propagation

Analyse dispersive

Communication sur le corps humain

Méthode de résonance transverse

Antenne à ondes de fuite

Amélioration du balayage angulaire

Métasurface

Réseau corporel

Skin-confined propagation

Dispersion analysis

Leaky-wave antenna

Résumé

Le vieillissement de la population et la hausse des coûts des soins médicaux ont engendré de nombreuses innovations dans le domaine de santé. L'une d’elles consiste à utiliser des capteurs sans fil autour du corps humain pour surveiller les signaux vitaux du patient. Le premier objectif de cette thèse est d’améliorer la sécurité des communications entre les capteurs sur le corps humain, grâce à un nouveau mécanisme de transmission utilisant la peau comme support de propagation de l’onde électromagnétique. La méthode de résonance transverse (TRM) est utilisée pour analyser les modes existants dans le modèle du corps humain. Les capacités de confinement ainsi que les pertes de propagation sont étudiées pour des fréquences jusqu’à 60 GHz. Le code développé d’analyse de la dispersion basé sur TRM constitue l’essentiel du travail de cette thèse et est également utilisé pour le second objectif de cette thèse. Une autre innovation dans le domaine médical concerne la surveillance sans contact et sans capteur utilisant des techniques radars Doppler. Les antennes à ondes de fuite sont de bonnes candidatures grâce à leur balayage du faisceau en fonction de la fréquence. Un balayage rapide est souhaité afin de couvrir une large plage angulaire avec une bande de fréquence limitée. Par conséquent, une structure guidante hautement dispersive est typiquement requise pour ce type d’antenne. Ainsi, une procédure originale de conception basée sur le code TRM est proposée pour augmenter la dispersion de la structure guidante imprimée à l’aide de la métasurface. En utilisant cette dispersion améliorée, une antenne périodique à ondes de fuite est conçue et simulée dans la bande des 60 GHz.

The aging of population and the increase in medical costs have brought a lot of innovations in the medical domain. One of them is the use of wireless sensors that are located in, on, or around the human body to monitor patient’s physiological signs. Due to the nature of the transmitted data, high data security is one of the most essential requirements in the system. The first objective of this thesis is to improve the communication security between on-body sensors with a novel transmission mechanism that uses human skin as a transmission medium and confines the surface-wave signal inside the skin. Transverse resonance method (TRM) is used to numerically analyze existing modes within the human body model. Confinement capabilities as well as propagation losses are investigated for frequencies up to 60 GHz. It should be noted that the developed TRM-based dispersion analysis code is the core work of this thesis and is used throughout all the main analysis in this thesis. Another innovation in the medical domain can be referred to the non-contact sensor-less remote medical monitoring using Doppler radar. Leaky-wave antennas are good candidatures for such applications due to their frequency-depending beam scanning properties. A fast scanning is desired in order to cover a large angular range with a given operation frequency bandwidth. Consequently, in the second part of this thesis, an original TRM-procedure-based design is proposed to increase the frequency dispersion of the guiding structure, which uses a grounded dielectric slab covered by a metasurface. Using this enhanced dispersion, a periodic leaky-wave antenna is designed and simulated in the 60 GHz band.