סימולציה אלקטרומגנטית עבור התקן למדידת דופק הלב

בשנים האחרונות קיימת התפתחות גדולה בשימוש ברצועה למדידת דופק הלב בזמן פעילות ספורטיבית, לדוגמא ריצה. הרצועה מותקנת סביב הגוף, מתחת לבית החזה, כאשר החיישנים נמצאים קרוב ללב, על מנת שהמדידה תהיה מדוייקת.

המידע לגבי דופק הלב משודר בתקשורת אלחוטית לטלפון הסלולארי, אשר מותקן על הזרוע. לאחר סיום הריצה ניתן לראות בטלפון הסלולרי, ע”י שימוש באפליקציה מתאימה, את המפה עם מסלול הריצה (זה מתאפשר הודות ל – GPS של הטלפון או השעון) ואת דופק הלב בכל נקודה על המסלול. התקשורת הינה לפי פרוטוקול ה-ATM בתדר 2.4.
במאמר זה נראה כיצד ניתן לבצע סימולציה אלקטרומגנטית בסיסית עבור תקשורת בין התקן מד הדופק לבין הטלפון הסלולרי. נציע מודלים מופשטים עבור התקן מד הדופק והטלפון הסלולרי, כולל תכנון אנטנות. בנוסף תיבחן ההשפעה של גוף האדם על ההספק של האות הנקלט.
הסימולציות בוצעו בתוכנת HFSS,
במישור התדר, בשיטת FEM .

מודל של התקן מד הדופק
בשלב הראשון נציע מודל מפושט עבור ההתקן למדידת דופק הלב, הכולל – סוללה (אלומיניום), אנטנה וקופסת פלסטיק
(εr=3, Loss Tangent=0.002), כאשר בתוכה נמצא ההתקן (ללא שבב ופרטים נוספים).
ניתן לתכנן אנטנות קטנות מסוגים שונים עבור היישום הנ”ל. במקרה שלנו האנטנה הינה משטחית ומודפסת מסוג Microstrip עם קצר בקצה האלמנט הקורן (על מנת להקטין את המימדים). האלמנט הקורן (נחושת) הינו בעל מימדים:
32.8mm X 16.4mm והוא מודפס על המצע של החומר הדיאלקטרי מסוג Taconic RF35 בעובי של 1.52mm. גודל הקופסה החיצונית הינו 50mm X 25 mm X 10mm.
האנטנה מוזנת ע”י מחבר קואקסיאלי עם אימפדנס 50Ω. הקיטוב של האנטנה הינו ליניארי. ככל שהמקדם הדיאלקטרי היחסי של המצע גבוה יותר, כך ניתן לקבל מימדים קטנים יותר של האנטנה המודפסת, אבל מתקבל רוחב סרט צר יותר, מפני שהשטח השקול של האנטנה קטן יותר.
באיור 2 מוצג גרף עבור מקדם ההחזרה עבור האנטנה (השם המדוייק הינו הערך המוחלט של מקדם ההחזרה ב – dB).
מכיוון שהאנטנה מחוברת לנקודת ההזנה של 50Ω, אנו נדרשים לתכנן את האנטנה לאימפדנס זהה בתדר העבודה 2.4GHz. המדד של מקדם ההחזרה מראה על טיב תאום האימפדנסים בין האנטנה לבין נקודת ההזנה. ככל שמקדם ההחזרה נמוך יותר, כך האנטנה תהיה עם נצילות גבוהה יותר. באנטנות מסוג זה מקובל שמקדם ההחזרה יהיה נמוך מ – -10. ניתן לראות מאיור 2 שמקבלים תהודה בתדר 2.4 ומקדם ההחזרה הינו -34.
ישנה חשיבות גבוהה לסימולציה של האנטנה עם קופסת הפלסטיק. ללא הקופסה, תדר התהודה יוזז ואנו נקבל נצילות נמוכה יותר של האנטנה בתדר העבודה.
האנטנה של הטלפון הסלולארי נמצאת בשדה הקרוב יחסית לאנטנה של התקן מד הדופק. איור 3 מתאר את השדה החשמלי הקרוב (V/m), כאשר עוצמת השידור 0.1mW.
באופן כללי, כאשר מסתכלים על עקום הקרינה של האנטנה בשדה קרוב או רחוק, חשוב לזכור שיש לבדוק את עקום הקרינה יחד עם גוף האדם, בגלל תופעות של הסתרה, בליעה, החזרה וכו’.

המודל של הטלפון הסלולארי
בשלב זה אנו נציע מודל עבור הטלפון הסלולארי. ניתן להשתמש במודל מורכב עם אנטנות שונות, מצלמה, כרטיסים וכו’, אבל אנו נשתמש במודל מופשט (לצורך הדגמת הרעיון), הכולל אנטנה, משטח אדמה וקופסת פלסטיק חיצונית. (ראה איור 4)
האנטנה הינה משטחית מסוג PIFA בתדר מרכזי 2.4. המימדים של הרכיב הקורן הינם: (נחושת) 16.2mm X 16.2mm. המימדים של המשטח האדמה הינם: (נחושת) 100mm X 60mm. הרכיב הקורן מקוצר למשטח האדמה ונמצא 4mm מעליו. באיור 5 ניתן לראות את הגרף של מקדם ההחזרה של האנטנה.
ניתן לראות שמקדם ההחזרה נמוך מ- בתדר העבודה ולכן ישנו תיאום אימפדנסים מספק. עקום הקרינה של האנטנה הנ”ל הינו כלל כיווני במישור XY, כאשר ישנו עיוות הנגרם מהתקנה לא סימטרית ומכך שמשטח האדמה גם משפיע על עקום הקרינה.

סימולציה משולבת של התקן מד הדופק, הטלפון הסלולארי וגוף האדם
כעת נבצע סימולציה של שידור מאנטנה בהתקן מד הדופק לאנטנה בטלפון הסלולארי בנוכחות גוף האדם. ניתן להשתמש במודל מאוד מפורט של גוף האדם (הכולל איברים פנימיים, עור, ורידים וכו’), אבל כיוון שאנו רוצים רק להמחיש את הרעיון, לא נשתמש במודל כל כך מפורט. בנוסף לכך, הרבה מהאיברים בגוף האדם אינם משפיעים על ביצועי התקשורת הנ”ל. הפרמטרים החשמליים של גוף האדם בתדר 2.4GHz בסימולציה שביצענו הינם .
באיור 6 ניתן לראות את המודל של התקן למד הדופק, הטלפון הסלולארי וגוף האדם.
כפי שניתן לראות, הטלפון הסלולארי הותקן על הזרוע וההתקן למד הדופק במרכז הגוף מתחת לבית החזה. באיור 7 ניתן לראות את מקדמי ההחזרה והעברה של האנטנות בנוכחות גוף האדם.
המשמעות של מקדם העברה – היחס בין הספק האות הנקלט במכשיר הטלפון לבין הספק האות המשודר בהתקן מד הדופק. בתדר של 2.4 קיבלנו מקדמי החזרה נמוכים והערך של מקדם העברה קרוב ל–50, ז”א 10 בחזקת -5. לדוגמא, אם הספק השידור הינו 0.1mW אז ההספק הנקלט הינו 1nW. הערך הנ”ל הרבה יותר גבוה מרגישות הקליטה של הטלפון הסלולרי בתחום תדרים זה ולכן ניתן לקיים תקשורת תקינה.
איור 7 מתאר את השדה החשמלי הקרוב (V/m), כאשר עוצמת השידור הינה 0.1mW עבור ההתקן למדידת הדופק.
ניתן לראות כיצד גוף האדם מסתיר ובולע את הקרינה.
סיכום
מאמר זה מתאר כיצד ניתן לתכנן אנטנות פשוטות עבור יישום התקשורת בין ההתקן למדידת דופק הלב לבין הטלפון הסלולארי, כולל סימולציה של גוף האדם. ע”י פתרון אלקטרומגנטי מדוייק ניתן לחשב את העוצמה של האות הנקלט.

הכתבה באדיבות ANSYS.
לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית.