תכנון אנטנות משולבות בהתקנים שונים בתחום ה-IoT, התקשורת והרפואה

התפתחות האנטנות הקטנות בשנים האחרונות תפסה תאוצה בתחום התקשורת ובתחום התקנים רפואיים. בזכות התפתחות זו, הטכנולוגיה מתגברת על מחסומים עברו ופורצת גבולות חדשים. האנטנות הקטנות תרמו לפריחה התפתחותית בתחומים שונים, בהם נמנה תחום ה- (Internet of Things).
IoT היא טכנולוגיה אשר שינתה את צורת הנהיגה שלנו, את הדרך בה אנו רוכשים מוצרים ואפילו את הדרך בה אנו מקבלים אנרגיה לביתנו. התקשורת מתבצעת באמצעות איסוף והעברת מידע, על ידי שימוש בסנסורים ואנטנות המותקנים בחפצים או התקנים שונים אשר נמצאים בשימוש יום יומי.
אחד ההתקנים המוכרים המתקשר באמצעות טכנולוגיית ה-IoT הוא שעון חכם. השעון מקבל את המידע מהטלפון הסלולרי ומאפשר לצפות בהודעות What’s Up, לבצע שיחות ואפילו לצלם תמונות כאשר הטלפון הסלולרי לא נמצא בהישג יד.
מכשיר IoT נוסף שהשתלב בטבעיות בחיינו הוא צמיד הכושר, אשר עובד בשיתוף עם הטלפון הסלולרי. תפקידו של הצמיד הוא מדידת מספר תכונות בריאותיות, כגון: מדידת דופק, צעדים, קלוריות הנשרפות בגוף בזמן פעילות ואפילו מנהל את הפעלת השעון המעורר בתזמון המתאים, על פי נתוני מדידת קצב הלב.
התקשורת בין המכשירים הללו לבין הטלפון הסלולרי מתבצעת בדרך כלל בתחום התדרים

2.4GHz-2.5GHz. ישנן הרבה אנטנות שונות בגודל קטן המתאימות לתחום תדרים זה שניתן לרכוש במחירים נוחים, אבל יש לקחת בחשבון שהאנטנות האלו תוכננו ללא התחשבות בסביבה הסופית בה הן אמורות לתפקד. הביצועים והמדידות (מקדם החזרה ועקומי הקרינה) של האנטנות שהיצרן מספק יהיו שונים כאשר האנטנה תותקן במכשיר מסוים.
האנטנות הנמצאות בתוך צמיד הכושר והשעון החכם מושפעות מרכיבים נוספים, כגון הסוללה והחומר הדיאלקטרי העוטף את המכשירים הללו (פלסטיק חיצוני). הרכיבים האלו משפיעים בצורה ניכרת על ביצועי האנטנה.
לדוגמא, נניח שאנטנת Bluetooth מסחרית קטנה מאוד נמצאת בתוך מכשיר מסוים. בגלל שהאנטנה הינה קטנה, היא גם בדרך כלל צרת סרט. הפלסטיק של המכשיר עלול להזיז את תדר התהודה של האנטנה ומפני שהאנטנה בעלת רוחב סרט צר, מקדם החזרה בתחום התדרים בה היא צריכה לעבוד עלול להתקלקל. המשמעות תהיה ביצועים פחות טובים של מערכת תקשורת, תווך מקסימאלי נמוך יותר, וכו’. על מנת להגיע לביצועי תקשורת טובים חשוב שמקדם החזרה יהיה מספיק נמוך (לפחות -10dB, ז”א פגיעה בשבח האנטנה כ-0.5dB) וכמובן שעקום הקרינה והנצילות יהיו כפי שנדרש.
בנוסף להשפעה של הפלסטיק, ישנה השפעה של גופים מוליכים (לדוגמא הסוללה). במקרה כאשר האנטנה קרובה לסוללה, בדרך כלל מקדם החזרה מתקלקל, נצילות האנטנה יורדת וגם עקום הקרינה משתנה.
לכן כדאי להשתמש בתוכנות סימולציה, על מנת מראש לתכנן את האנטנות בצורה הטובה ביותר. בהמשך, נראה מספר אנטנות המותקנות בהתקנים שונים. כל הסימולציות בוצעו ע”י שימוש בתוכנה ANSYS HFSS במישור התדר, בשיטת חישוב FEM .
באיר 1 ניתן לראות את האנטנה המותקנת בתוך שעון חכם ובאיור 2 את השעון המותקן על גליל המדמה את היד .
תחום תדרי העבודה הינו 2.4GHz – 2.5GHz. האנטנה המוצעת הינה מסוג IFA . בקירוב הראשון, כדאי לתכון את האנטנה, כאשר השעון לא כולל יותר מדי פריטים על מנת לחסוך בזמני הסימולציה. חשוב להדגיש, שבסופו של דבר כדאי גם לבצע סימולציה של השעון המותקן על היד בנוכחות כל גוף האדם, מפני שהוא מהווה הסתרה לגל אלקטרומגנטי. מומלץ גם לבדוק את הביצועים של עקום הקרינה ומקדם ההחזרה של האנטנה במספר מצבים של היד (יד צמודה לגוף, יד למעלה, וכו’). יכול להיות מצב, שכאשר השעון יהיה צמוד לגוף האדם, מקדם החזרה של האנטנה מאוד יתקלקל, ולכן כדאי לקחת זאת בחשבון כאשר מתכננים את האנטנה.

חשוב גם להדגיש כי ישנן אנטנות מסחריות שרגישות לגודל של משטח האדמה. באיור 3 ניתן לראות אחת האנטנות השימושיות מסוג PIFA .
איור 4 מציג עקום קרינה של האנטנה (שבח) ב-dBi עבור משטחי אדמה בגודל שונה בתדר 2.4GHz. ניתן לראות שהעקום הקרינה של האנטנה משתנה כאשר הגודל של משטח האדמה משתנה.
איור 5 מתאר את מקדם ההחזרה של האנטנה עבור שני גדלים של משטחי אדמה.
כפי שניתן לראות מאיור 5, מקדם ההחזרה גם תלוי בגודל של משטח האדמה.
כמובן כאשר מתכננים אנטנה בתוך גוף האדם, מאוד מומלץ להשתמש בכלי הסימולציה ובמודל גוף האדם המדויק. בעבודה הזאת השתמשנו במודל גוף האדם (Human Body Model). כל איבר במודל מאופיין על ידי מקדם דיאלקטרי ומוליכות כפונקציה של התדר. ישנם מודלים שונים, עם מספר איברים שונה, מודלים עבור גבר ואישה וכו’. היתרונות הנוספים במודל זה, שניתן למחוק \ לשנות \ להגדיל \ להקטין איברים שונים. ניתן להשתמש לדוגמא במודל המופיע באיור 6 הכולל הרבה איברים (עדיין לא הכי מפורט שיש), אבל בחרנו כאן להשתמש במודל פשוט יותר, שייתן לנו הערכה ראשונית על טיב התקשורת.
איור 7 מתאר את האנטנה בקוצב הלב, יחד עם פלסטיק, סוללה ואלקטרודות. באיור 8 ניתן לראות אנטנה המותקנת בקוצב הלב וכל המערכת, הכוללת את גוף האדם ומכשיר נוסף על השולחן, שאמור לקבל נתונים לגבי פעילות הלב. תדר העבדה 915MHz. עוצמת השידור 0.1mW.
האנטנה המוצעת הינה מסוג IFA. בסימולציה חשוב לקחת את האורך של האלקטרודות כפי שבמציאות, מפני שהן עשויות מחומר מוליך והנוכחות שלהן משפיעה על ביצועי המערכת. כאשר שתי האנטנות נמצאות במרחק קרוב יחסית, מומלץ להסתכל על השדה הקרוב והפרמטר S21 . במקרה שלנו מקבלים יחס בין ההספק הקליטה להספק השידור -65dB, מה שמצביע על תקשורת תקינה.
לסיכום, מומלץ מאוד להשתמש בכלי סימולציה לתכנון אנטנות עבור התקנים שונים, כי לא תמיד ניתן לקבל ביצועים אופטימאליים מאנטנות מסחריות.

מקורות:
[1] V. Vulfin, S. Sayfan-Altman and R. Ianconescu, “Wireless Power Transfer for a Pacemaker Application”, Journal of Medical Engineering & Technology, Feb. 2017
[2] J. Jan and L. Tseng, “Small Planar Monopole Antenna With a Shorted Parasitic Inverted-L Wire for Wireless Communications in the 2.4-, 5.2-, and 5.8- GHz Bands”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 52, Issue 7, pp. 1903-1905, 2004

[3] N. Shimonov, V. Vulfin, S. Sayfan-Altman and R. Ianconescu, “Design of an Implanted Antenna Inside the Human Body for a Pacemaker Application”, ICSEE International Conference on the Science of Electrical Engineering, Eilat, Israel, Nov. 2016

[4] V. Vulfin and S. Sayfan-Altman, “Design of Antennas for Operation in the Human Body”, Antennas Symposium, Tel Aviv, Israel, December 03, 2015

[5] H. Wong; K. Luk, C. Chan, Q. Xue, K. So and H. Lai, “Small Antennas in Wireless Communication”, Proceedings of the IEEE, Vol. 100, Issue 7, pp. 2109-2121, 2012
הכתבה באדיבות EM Infinity ו-ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות למשרדי החברות.

על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 12 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים, אלקטרומגנטיות הביו-רפואית וסימולציות אלקטרומגנטיות. מייסד EM Infinity, החברה המתמחה בתכנון וסימולציות בתחום האלקטרומגנטיות.

 

שי סייפן-אלטמן
מר שי סייפן אלטמן בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת בן גוריון. עם ניסיון של מעל 15 שנים בפיתוח. מתמחה בסימולציות אלקטרומגנטיות. מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS, החברה המתמחה בפיתוח כלי סימולציה.