Dr. Albert Sabban, Ort Braude College, Karmiel
תעשיית הביו-רפואה נמצאת בתהליך של צמיחה מתמדת במהלך העשור האחרון. אנטנות מתכווננות קומפקטיות בעלות פרופיל נמוך חיוניות בפיתוח מערכות ביו-רפואיות הניתנות ללבישה על בני-אדם. תדר התהודה של האנטנה ניתן לכוונון על-ידי שימוש בואראקטור (varactor)כדי לפצות על השינויים בתדר התהודה של האנטנה במיקומים שונים על פני הגוף. במאמר זה מוצגים שיקולי תכנון, תוצאות מחושבות ומדודות על גוף האדם של אנטנות מודפסות רחבות-פס בעלות יעילות גבוהה ב-434 מגה-הרץ. האנטנה האנטנה המוצעת יכולה לתפקד כאנטנה במערכות רפואיות.
1. מבוא
לאנטנות מיקרוסטריפ (microstrip) שימוש נרחב במערכות תקשורת ובמאתרים (seekers). לאנטנות מיקרוסטריפ תכונות חיוניות כגון פרופיל נמוך, גמישות, קלות, נפח קטן ועלות ייצור נמוכה. בנוסף, ואראקטור מבוקר-מתח יכול לשמש כחלק מרשת הזנת האנטנה. אנטנות מיקרוסטריפ מתוארות בהרחבה בעשור האחרון בספרים ובמאמרים כמצוין ב-[1-4]. אולם, הקירבה של האנטנה אל גוף האדם משנה את הביצועים החשמליים של האנטנה. תכונות העברה של אנרגית RF דרך רקמות גוף האדם נחקרו במספר מאמרים כמצוין ב-[5-6]. במאמר זה מוצג סוג חדש של אנטנות מיקרוסטריפ רחבות-פס מתכווננות הניתנות ללבישה עבור יישומים רפואיים. היג”ע (VSWR) של האנטנות הוא מעל 2:1 ב-434±5% מגה-הרץ. רוחב האלומה של האנטנה הוא כ-1000. שבח האנטנה הוא כ-0 עד 2dBi. ואראקטור מבוקר מתח משמש לבקרה על תדר התהודה של האנטנה במיקומים שונים על-גבי גוף האדם.
איור 1: אנטנה מתכווננת דו-קיטובית, 26x6x0.16 ס”מ
איור 2: S11 מדוד על גוף האדם
איור 3: הפרמטר S11 כפונקציה של קיבול הואראקטור
2. אנטנה מודפסת מתכווננת דו-קיטובית
אנטנה מיקרוסטריפ דו-קוטבית קומפקטית תוכננה כדי לספק קיטוב אופקי. האנטנה בנויה משתי שכבות. השכבה הראשונה עשויה ממצע דיאלקטרי RO3035 בעובי של 0.8 מ”מ. השכבה השנייה עשויה ממצע דיאלקטרי RT-Duroid 5880 בעובי של 0.8 מ”מ. עובי המצע משפיע על רוחב הפס של האנטנה. החריץ באנטנה המודפסת הוא בקיטוב אנכי. הדיפול המודפס הוא בקיטוב ניצב לחריץ, אופקי. ממדי האנטנה הדו-קיטוביות הם 26x6x0.16 סמ’. תוכננו גם אנטנות קומפקטיות מקופלות מתכווננות דו-קיטוביות. ממדי האנטנות הקומפקטיות 5x5x0.5 ס”מ. הואראקטורים מחוברים לקווי ההזנה של האנטנה כמתואר באיור 1. ואראקטורים מבוקרי מתח משמשים לבקרת תדר התהודה של האנטנה. מתח הממתח של הואראקטור ניתן לשינוי באופן אוטומטי כדי לקבוע את תדר התהודה של האנטנה באזורים שונים של גוף האדם. ניתן להלביש את האנטנה על גוף האדם. ניתן למקם את האנטנה על חולצת המטופל באזור הקיבה או הגב. האנטנה נותחה על-ידי שימוש בתוכנת Agilent, ADS. נמצאה התאמה טובה בין התוצאות המדודות והמחושבות. רוחב-הפס של האנטנה היא כ- 10% עבור יג”ע טוב מ-2:1. רוחב אלומת האנטנה היא כ-1000. שבח האנטנה הוא כ-2dBi.
איור 2 מציג את פרמטרי S11 המדודים של האנטנה ללא ואראקטור. איור 3 מציג את פרמטרי S11 של האנטנה כפונקציה של קיבולי ואראקטור שונים. איור 4 מציג את תדר התהודה של האנטנה המתכווננת כפונקציה של קיבול הואראקטור. תדר התהודה של האנטנה נע מסביב ל-5% עבור קיבולים עד 2.5pF תדר התהודה של האנטנה ניתן לכוונון בכ-5%. רוחב האלומה של האנטנה הוא 1000. עצמת השדה בקיטוב האנכי של האנטנה ניתן לכונון על-ידי שינוי מיקום ההזנה של חריץ.
3. שינוי פרמטר S11 של האנטנה כפונקציה של המרחק מהגוף
טבלה 1: תכונות של רקמות גוף האדם
שינוי עכבת המבוא של האנטנות כפונקציה של המרחק מהגוף חושבה בעזרת תוכנת ADS. המבנה של סביבת האנטנה מוצג באיור 5. תכונות הרקמות בגוף האדם האנושיות רשומות בטבלה 1. ראה [5.6]. איור 6 מציג תוצאות S11 עבור עוביי חגורה וחולצה שונים, ועבור המרחק באוויר בין האנטנות וגוף האדם.
אם המרחק בין החיישנים וגוף האדם משתנה מ-0 מ”מ ל-5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה משתנה ב-5%. קיימת התאמה טובה בין התוצאות המדודות והמחושבות. ואראקטור מבוקר מתח יכול לשמש לכוונון תדר התהודה של האנטנה במיקומים שונים של האנטנה על-פני גוף האדם. איור 7 מציג מספר אנטנות קומפקטיות מתכווננות עבור יישומים רפואיים. אפשר להשתמש בואראקטור מבוקר מתח גם כדי לכוון את תדר התהודה של אנטנת לולאה במיקומים שונים על-פני גוף האדם.
איור 4: תדר התהודה כפונקציה של קיבול הואראקטור
איור 5: המבנה של סביבת האנטנה עבור חישובי עכבת האנטנה
איור 6: תוצאות של S11 עבור מיקומים שונים של האנטנה על גוף האדם
4.ואראקטורים
ואראקטורים מתכווננים הם קבלים מבוקרי מתח המתוכננים לספק כיוונון אלקטרוני של רכיבי מיקרו-גל. ואראקטורים מיוצרים על מצעי סיליקון וגאליום ארסניד. וראקטורים מגאליום ארסניד מציעים Q גבוה יותר ויכולים לתפקד בתדרים גבוהים יותר מאשר וראקטורים מסיליקון. וראקטורים hyperabrupt מספקים שינוי כמעט ליניארי של התדר כפונקציה של מתח הבקרה המסופק. ואראקטורים abrupt מספקים תלות בתדר לפי השורש הרביעי ההפוך. MACOM מציעה ואראקטורים hyperabrupt מגאליום ארסניד דוגמת סדרת ה-MA46. איור 8 מציג את עקומות ה-C-V של הואראקטורים MA46504 עד MA46506.
לסיכום: ניתן להשתמש בואראקטורים כדי לפצות על השינויים בתדר התהודה של האנטנה במיקומים שונים על-פני גוף האדם.
איור 7: אנטנות מתכווננות עבור יישומים רפואיים
איור 8: קיבול הואראקטור כפונקציה של מתח הממתח
איור 9: עקומות C-V של ואראקטורים MA46H070 עד MA46H076
5. סיכום
מאמר זה מתאר אנטנות מתכווננות רחבות-פס בעלות יעילות גבוהה עבור יישומים רפואיים. ממדי האנטנה יכולים לנוע מ-26x6x0.16 ס”מ עד 5x5x0.05 ס”מ לפי מפרט המערכת הרפואית. רוחב-הפס של האנטנות הוא כ-10% עבור יג”ע גדול מ-2:1. רוחב אלומת האנטנה הוא כ-1000. שבח האנטנה נע בין 0 עד 2dBi. אם מגדילים את מרחק האוויר בין האנטנה בעלת הדו-קיטוביות וגוף האדם מ-0 מ”מ ל-5 מ”מ תדר התהודה של האנטנה מוזז ב-5%. משתמשים בואראקטור כדי לפצות על שינויים בתדר התהודה של האנטנה במיקומים שונים על-פני גוף האדם.
סימוכין
[1] J.R. James, P.S Hall and C. Wood, “Microstrip Antenna Theory and
Design”,1981.
[2] A. Sabban and K.C. Gupta, “Characterization of Radiation Loss from Microstrip Discontinuities Using a Multiport Network Modeling Approach”, I.E.E.E Trans. on M.T.T, Vol. 39,No. 4,April 1991,
pp. 705-712.
[3] A. Sabban,” A New Wideband Stacked Microstrip Antenna”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Houston, Texas, U.S.A, June 1983.
[4] A. Sabban, “Microstrip Antenna Arrays”, Microstrip Antennas, Nasimuddin Nasimuddin (Ed.), ISBN: 978-953-307-247-0, InTech, http://www.intechopen.com/articles/show/title/microstrip-antenna-arrays , pp..361-384, 2011.
[5] Lawrence C. Chirwa*, Paul A. Hammond, Scott Roy, and David R. S. Cumming, “Electromagnetic Radiation from Ingested Sources in the Human Intestine between 150 MHz and 1.2 GHz”, IEEE Transaction on Biomedical eng., VOL. 50, NO. 4, April 2003, pp 484-492.
[6] D.Werber, A. Schwentner, and E. M. Biebl, “Investigation of RF transmission properties of human tissues”, Adv. Radio Sci., 4, 357–360, 2006.
Dr. Albert Sabban is a Senior IEEE Member.
Dr. Albert Sabban is with Ort Braude College, Karmiel, Israel.
