איור 1. מודל תלת ממדי של המשקפיים
התפתחות דרישה לאנטנות לבישות עבור התקני IoT בשנים האחרונות תפסה תאוצה בתחום התקשורת ובתחום התקנים רפואיים. בעזרת הטכנולוגיה שלIoT, התקשורת מתבצעת באמצעות איסוף והעברת מידע, על ידי שימוש בסנסורים ואנטנות המותקנים בחפצים או התקנים שונים אשר נמצאים בשימוש יום יומי.
אחד ההתקנים הלבישים הינם משקפיים חכמים (Smart Glasses), ז”א משקפיים ממוחשבים המיועדים למטרות שונות למשל כאמצעי תקשורת, ניווט או מצלמה על ידי שימוש בקלט חזותי, שמע או מיקום להספקת מידע רלוונטי. מכיוון שמדובר על מכשיר לביש, הוא צריך להיות קל וחזק על מנת שיהיה נוח למשתמשים. כדאי שמסגרת המשקפיים תהיה גמישה, חזקה, יפה ואלגנטית, כך שהמשקפיים יכולים לשמש כאביזר. כמובן שהתקן האלקטרוני צריך להיות מספיק קטן ומותקן בתוך המסגרת. משקפיים החכמים נועדים לסייע בחיי היום יום עסקיים וחברתיים של המשתמשים. טכנולוגיה זו יכולה להיות שימושית גם עבור אנשים עם מוגבלויות. ניתן לממש משקפיים חכמים מרכיבים דומים שניתן למצוא בטלפון חכם, ביניהם רמקול, מיקרופון, מצלמה וכו’. ניתן להוסיף מודולים שונים כגון Bluetooth, WIFI ו-GPS, מה שנותן מגוון רב של אפשרויות נוספות.
איור 2. מקדם החזרה של האנטנה
בעבודה הזאת, נציג אפשרות של תכנון אנטנה עבור תקשורת WIFI או Bluetooth בתחום התדרים 2.4GHz – 2.5GHz. מפני שהביצועים של האנטנה מושפעים מהחומרים והמבנה של המשקפיים חשוב לתכנן את האנטנה ביחד עם כל המבנה. תכנון של האנטנה נעשה ע”י שימוש בתוכנת סימולציה אלקטרומגנטית ANSYS HFSS במישור התדר, בשיטת חישוב FEM .
איור 1 מציג מודל תלת ממדי של המשקפיים. כאן המסגרת הכחולה עשויה מחומר פלסטיק. החלק המוליך הירוק משמש כאנטנה, המחוברת למשטח אדמה של הכרטיס PCB המותקן בתוך המסגרת.
איור 2 מתאר את המקדם החזרה של האנטנה. ניתן לראות שישנו תיאום אימפדנסים טוב בתחום התדרים הנדרש. חשוב שהאנטנה לא תהיה יותר מדי צרת סרט, כי אז תהיה לה רגישות גבוהה לסביבה (לדוגמא ראש האדם).
איור 3 מראה את השבח הכולל של האנטנה בתדר
איור 3. עקום קרינה של האנטנה
2.45GHz. השבח מקסימלי מתקבל 2.5dBi.
כעת נתקין את המשקפיים על ראש האדם (איור 4). חשוב מאוד לבחון את ההשפעה של האנטנה ליד הראש. גוף האדם מהווה חומר עם הפסדים, עקב המוליכות, לכן חלק מהקרינה תתבזבז לחום. בנוסף לכך, הראש מהווה הסתרה וגם גוף מחזיר, ולכן הצורה של עקום הקרינה תשתנה. לצורך האנליזה, אנו משתמשים במודל גוף האדם של ANSYS.
באיור 5 ניתן לראות את מקדם ההחזרה של האנטנה. על מנת לקבל ביצועים טובים יותר, קיצרנו את אורך האנטנה ב-
3mm. כפי שרואים מהגרף, הביצועים של מקדם ההחזרה מספקים.
איור 6 מראה את השבח הכולל של האנטנה בתדר 2.45GHz. ניתן לראות שקיבלנו עיקום כיווני, עקב הסתרה והחזרה של הגלים מהראש.
איור 4. התקנת משקפיים על ראש האדם
איור 7 מתאר את חתך הצידוד (אזימוט) של עקום הקרינה עבור זוויות הגבהה (אלווציה) שונות, כאשר Theta=90deg בכיוון האופק.
כפי שרואים, מקסימום הקרינה אינו בכיוון Phi=0deg, מהסיבה שהאנטנה לא נמצאת במרכז, אלא קצת בצד לא סימטרית במישור XZ. ניתן לשפר את הביצועים ע”י התקנה של אנטנה נוספת (Diversity) או השימוש באנטנה היקפית על המסגרת של המשקפיים.
מקורות:
[1] X. Li, M. Jalivand, Y. Sit, and T. Zwick, “A compact double-layer on-body matched bowtie antenna for medical diagnostics,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 4, pp. 1808-1816, Apr. 2014.
איור 5. מקדם החזרה של האנטנה בנוכחות הראש
איור 6. עקום קרינה של האנטנה
בנוכחות הראש
[2] A. T. Mobashsher and A. Abbosh, “Slot-loaded folded dipole antenna with wideband and unidirectional performance for L-band applications,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 13, pp. 798-801, 2014.
[3] J. Yang and A. Kishk, “A novel low-profile compact directional ultrawideband antenna: The self-grounded bow-tie antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 3, pp. 1214-1220, Mar. 2012.
איור 7. חתכי צידוד של עקום הקרינה של האנטנה בנוכחות הראש
[4] A. Santorelli et al., “A time-domain microwave system for breast cancer detection using a flexible circuit board,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 64, no. 11, pp. 2986-2994, Nov. 2015.
הכתבה באדיבות EM Infinity ו-ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית של החברות.
על המחברים:
פולינה אוסיצ’נסקי
גב’ פלינה אוסיצ’נסקי בעלת תואר ראשון בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה בתחומי התמחות אנטנות ומיקרוגלים.
