אנטנות מודפסות מתכווננות קומפקטיות לבישות עבור יישומים רפואיים

במערכות תקשורת וכריזה, נעשה שימוש רב באנטנות מיקרוסטריפ (אנטנות מודפסות). לאנטנות אלו תכונות מושכות כגון; פרופיל נמוך, גמישות, משקל נמוך, נפח קטן ועלות ייצור נמוכה. בנוסף, ואראקטור מבוקר-מתח עשוי להיות חלק מרשת ההזנה של האנטנה. נושא אנטנות מיקרוסטריפ נדון רבות בספרים בעשור האחרון. עם זאת, יש לומר כי הקִרבה של האנטנה לגוף האדם, משנה את הביצוע החשמלי של האנטנה. תכונות ההעברה של תדרי רדיו בגוף האדם של הרקמה האנושית נחקרו במספר מאמרים. ערך ה-VSWR (יחס מתח גלים עומדים) של האנטנות טוב יותר מ-2:1 ב-434MHz רוחב קרן האנטנה הנו סביב ה-˚100. הגברת האנטנה הנה סביב 0 עד 2dBi. ואראקטור מבוקר מתח משמש לבקרת תדר התהודה של האנטנה במקומות שונים בגוף האדם.

אנטנות מודפסות מתכוונות דו- קיטוביות

אנטנה מיקרוסטריפ דו-קוטבית קומפקטית עמוסה תוכננה על מנת לספק קיטוב אופקי. האנטנה מכילה שתי שכבות. השכבה הראשונה מכילה תשתית דיאלקטרית עשויה מחומר RO3035 בעובי של 0.8 מ”מ. השכבה השנייה מכילה תשתית דיאלקטרית עשויה מחומר RT-Duroid 5880 בעובי של 0.8 מ”מ. עובי התשתית משפיע על רוחב הפס של האנטנה. אנטנה מודפסת בעלת חריץ, מספקת קיטוב אנכי. האנטנה המודפסת הדו-קוטבית והאנטנה בעלת החריץ, מספקות קיטוב אנכי. ממדי האנטנה הדו-קוטבית הנם 26 ס”מ על 6 ס”מ על 0.16 ס”מ. תוכננו גם אנטנות דו-קוטבית מקופלות קומפקטיות מתכווננות. ממדי האנטנות הקומפקטיות הנם 5 ס”מ על 5 ס”מ על 0.05 ס”מ. הואראקטורים מבוקרי מתח משמשים לבקרת תדר התהודה של האנטנה. אפשר להשתמש באנטנה כאנטנה לבישה על גוף האדם. האנטנה ניתנת להצמדה לחולצת החולה באזור בטנו של החולה או באזור הגב. האנטנה נותחה באמצעות שימוש בתוכנת ADS.

קיימת התאמה טובה בין התוצאות הנמדדות והחישוביות. רוחב הפס של האנטנה, נע סביב 10% עבור ערך VSWR טוב מ-2:1. רוחב קרן האנטנה הנו סביב dBi2.

איור 2 מציג את הפרמטרים  הנמדדים ללא ואראקטור. איור 3 מציג את הפרמטרים  כפונקציה של ערכי קיבוליות ואראקטור שונים. איור 4 מציג את תדר התהודה של האנטנה המתכווננת כפונקציה של קיבוליות הואראקטור. תדר התהודה של האנטנה משתנה סביב ה-5% עבור ערכי קבול של עד 2.5 פיקופאראד. רוחב רוחב אלומת הקרינה של האנטנה הוא

0 100. עוצמת שדה הקיטוב של האנטנה ניתנת לכוונון באמצעות שינוי מיקום הזנת החריץ. התצורה המחושבת של הקרינה, מוצגת באיור 5. האנטנות נותחו באמצעות שימוש בתוכנת Momentom גל מלא D3.

אנטנות מודפסות מתכוונות דו- קיטוביות מקופלות

ממדי האנטנה המקוטבת הדואלית המקופלת המוצגת באיור 6, הנם 7x7x0.16 ס”מ. האורך והרוחב של קווי ההזנה באיור 6 הנם 12 מ”מ על 9 מ”מ. לאורך קו ההזנה ממוקמים פסי כוונון קטנים לכוונון האנטנה לתדר התהודה הרצוי.

איור 7 מציג את הפרמטרים S11 ו-S22 המחושבים.

תצורת הקרינה המחושבת של האנטנה הדו קיטובית המקופלת מוצגת באיור 8.

של האנטנה כפונקציה של המרחק מהגוף S11 השתנות ערכי

השתנות התנגדות הכניסה של האנטנות כפונקציה של המרחק מהגוף, חושבה באמצעות תוכנת ADS. המבנה המנותח מוצג באיור 9. תכונות רקמת הגוף האנושי מוצגות בטבלה 1. איור 10 מציג תוצאות S11 עבור עוביי חגורה וחולצה שונים ועבור רווח אוויר בין האנטנה לגוף האדם. אם רווח האוויר בין החיישנים וגוף האדם מוגדל מ-0 מ”מ ל-5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה מוזז ב-5%. קיימת התאמה טובה בין התוצאות הנמדדות והחישוביות. ניתן להשתמש בואראקטור מבוקר מתח לכוונון תדר התהודה של האנטנה בהתאם למיקום האנטנה על גוף אדם.

איור 11 מציג תוצאות S11 עבור מקומות שונים של האנטנה המקופלת הנראית באיור 6, ביחס לגוף אדם. הסבר על איור 16, ניתן בטבלה 2. אם רווח האוויר בין החיישנים וגוף האדם מוגדל מ-0 מ”מ ל-5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה מוזז ב-5%.

ואראקטורים

ואראקטורים אשר נועדו לכוונון הנם קבלים משתני מתח המתוכננים לספק כוונון רכיבי מיקרוגל. ואראקטורים מיוצרים על תשתית סיליקון וגליום ארסניד. ואראקטורים העשויים גליום ארסניד, מציעים גורם איכות (Q) גבוה יותר והם ניתנים לשימוש בתדרים גבוהים יותר מאשר ואראקטורים העשויים סיליקון.

ואראקטורים בעלי שיפוע גדול, מספקים שינוי תדר ליניארי כמעט באמצעות שימוש במתח מבוקר, עם זאת, ואראקטורים בעלי שיפוע גדול מספקים תלות תדר שורש רביעי הפוך. MACOM מציעה מספר ואראקטורים בעלי שיפוע גדול, כגון סדרת 46MA. איור 12 מציג את עקומות V-C של ואראקטורים דגמים MA46504 עד MA46506. איור 13 מציג את עקומות V-C של ואראקטורים דגמים MA46H070 עד MA46H076. איור 14 מציג אנטנה מתכווננת קומפקטית עם ואראקטור. איור 15 מציג S11 נמדד כפונקציה של ממתח ואראקטור. אנו יכולים להסיק כי ניתן להשתמש בואראקטורים לפיצוי שינויים בתדר התהודה של האנטנה במקומות שונים בגוף האדם.

יישומים רפואיים לאנטנות מתכווננות

יישום של האנטנה המוצעת מוצג באיור 16. ניתן להרכיב שלוש עד ארבע אנטנות דו קוטביות מקופלות מתכווננות בחגורה, ולהצמיד אותן לבטן החולה. הכבל היוצא מכל אנטנה, מחובר למקלט. האות המתקבל מנותב למטריצת מיתוג. האות עם הרמה הגבוהה ביותר ייבחר בעת הבדיקה הרפואית. האנטנות מקבלות אות המועבר ממקומות שונים בגוף האדם. כמו כן, ניתן להצמיד אנטנה מתכווננת מקופלת לגב החולה על מנת לשפר את רמת האות המתקבל ממקומות שונים בגוף האדם. ביישומים אחדים, המרחק המפריד בין האנטנות המשדרות ואלה הקולטות, הוא פחות מ-, כאשר D הוא הממד הגדול ביותר של מקור הקרינה.  הוא אורך הגל.

ביישומים אלו, משרעת השדה האלקטרומגנטי הקרוב לאנטנה עשויה להיות חזקה למדי, אך עקב נפילה מהירה של השדה עם המרחק, ה אנרגיה אינה מוקרנת למרחקים אין-סופיים, אלא נשארת לכודה באזור קרוב לאנטנה. כך, השדות הקרובים מעבירים אנרגיה למרחקים קרובים מהמקלטים בלבד.

האנטנות המשדרות והקולטות, מוצמדות באופן מגנטי. שינוי בזרם בחוט אחד גורם למתח בקצה של החוט האחר באמצעות השראה מגנטית. גודל הצימוד ההשראתי בין שני מוליכים, נמדד באמצעות ההשראה ההדדית שלהם. ביישומים אלו, אנו צריכים להתייחס לשדה הקרוב ולא לקרינת השדה הרחוק.

ניתן למקם את האנטנות המתכווננות המוצעות על גוף האדם, כמוצג באיור 17 א’. החולה באיור 17 ב’, נושא אנטנה לבישה. חגורת האנטנה צמודה לחזית גוף האדם או לגבו.

איור 18 מציג מספר אנטנות מתכווננות קומפקטיות ליישומים רפואיים. ניתן להשתמש גם בואראקטור מבוקר מתח לכוונון תדר התהודה-לולאה של האנטנה במקומות שונים בגוף.

מסקנות

מאמר זה זה מציג אנטנות מיקרוסטריפ רחבות פס בעלות יעילות גבוהה ליישומים רפואיים. ממדי האנטנה עשויים לנוע בין 26 ס”מ על 6 ס”מ על 0.16 ס”מ לבין 5 ס”מ על 5 ס”מ על 0.05 ס”מ, בהתאם למפרט המערכת הרפואית. רוחב הפס של האנטנה נע סביב 10% עבור ערך VSWR טוב יותר מ-2:1. רוחב הלומה של האנטנה נע סביב

0 100. הגבר האנטנה משתנה מ-0

ל-2. אם מרווח האוויר בין האנטנה המקוטבת הדואלית וגוף האדם מוגדל מ-0 מ”מ ל-5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה מוזז ב-5%. לפיצוי הישנויים בתדר התהודה של האנטנה עקב הימצאותה במקומות שונים בגוף האדם, משתמשים בוראראקטור.