基于蜿蜒谐振器耦合UHF RFID系统的可穿戴生物力学传感技术研究

《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》：Meander Resonator Coupled UHF RFID System for Biomechanics Sensing Applications

本刊推荐一项创新性可穿戴传感研究，针对传统生物力学监测设备灵敏度低、动态范围有限的问题，研究团队开发了基于蜿蜒谐振器耦合的柔性UHF RFID位移传感系统。通过阻抗失谐机制实现运动追踪，在30mm位移范围内实现RSSI降低14dB、阈值功率增加5dBm的灵敏响应，在膝关节屈曲监测中达到R2=0.973的测定系数。该技术采用直写成型工艺制备，为远程医疗和康复监测提供了新型无源传感方案。

　　

随着无线传感技术的快速发展，生物力学监测在运动康复、远程医疗等领域展现出巨大潜力。然而传统传感器往往受限于电池供电、刚性结构等瓶颈，难以满足长期可穿戴监测的需求。特别是在关节活动度监测等场景中，现有技术存在灵敏度与测量范围难以兼顾的矛盾——采用拉伸材料的传感器虽灵敏度高但位移范围有限，而大范围监测方案又往往牺牲了测量精度。这种两难处境促使研究者将目光投向具有无源特性和无线传输优势的射频识别（RFID）技术。

在《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》发表的最新研究中，Tauseef Hussain、Ignacio Gil和Raul Fernández-García创新性地提出将蜿蜒谐振器与超高频（UHF）RFID标签耦合，通过电磁耦合效应将机械位移转换为可测量的电信号变化。该系统的核心在于利用相对位移改变谐振器与标签天线间的互感耦合强度，进而调制天线阻抗和功率反射系数ρ_tag，最终影响反向散射信号强度（RSSI）和标签启动阈值功率（P_th）。这种巧妙的物理机制使得无需电池的位移传感成为可能，为长期可穿戴监测提供了新思路。

关键技术方法包括：1）采用T型匹配网络设计非对称偶极子RFID标签天线，优化匹配Murata LXMS21ACNP-184芯片（阻抗19-j284Ω@868MHz）；2）设计总长约324mm的蜿蜒谐振器，通过交替弯折结构实现紧凑尺寸下的强电磁耦合；3）利用直写成型（DIW）技术在聚酰亚胺基底上精密印刷导电银浆图案；4）建立位移与阻抗失谐的数学模型，通过监测P_th和RSSI反演机械运动信息。

位移传感性能分析

通过全波电磁仿真和实验验证，系统在0-30mm位移范围内表现出规律性响应。当蜿蜒谐振器逐渐覆盖标签天线时，互感系数k的变化使天线阻抗Z′_ant = Z_ant·(1-k)发生显著改变，导致功率反射系数从初始匹配状态持续恶化。实验数据显示P_th呈单调上升趋势，而RSSI相应降低14dB，二次拟合确定系数分别达到R2=0.982和R2=0.989。阻抗分析表明，在位移超过10mm后天线电抗分量出现急剧下降，验证了互感耦合的主导作用。

生物力学应用验证

将传感器集成于弹性护膝进行膝关节屈曲实验，结果显示在115°-175°活动范围内，P_th从21dBm升至29dBm，RSSI变化达12dB。角度与电参数之间呈现优异的线性相关性（R2=0.973），证实系统对关节运动具有敏锐响应能力。值得注意的是，虽然绝对RSSI值受阅读器距离影响，但基于相对变化的测量机制确保了在不同使用场景下的稳定性，这一特性对实际应用至关重要。

技术优势对比

与现有RFID位移传感技术相比，本研究在灵敏度（4.7dB/cm）和量程（30mm）间取得更好平衡。传统纺织基传感器虽可实现10.6dB/cm的高灵敏度但量程不足15mm，而大范围监测方案灵敏度普遍低于3dB/cm。蜿蜒谐振器的引入通过增强阻抗调制深度突破了这一局限，DIW fabrication工艺则保证了器件的一致性和柔性特征。

本研究成功演示了一种基于阻抗调制原理的无源无线位移传感新方法，其核心价值在于解决了可穿戴传感器灵敏度与量程之间的传统矛盾。通过巧妙的电磁设计，将机械运动转化为可靠的射频信号变化，为康复医学、运动科学等领域提供了无需电池的长期监测方案。未来研究方向可拓展至无芯片RFID传感架构和更复杂的多参数生物力学监测场景，进一步推动无线传感技术在数字健康领域的应用边界。