Проектирование и анализ миниатюрной СШП-антенны сочинение пример

ООО "Сочинения-Про"

Ежедневно 8:00–20:00

Санкт-Петербург

Ленинский проспект, 140Ж

Сочинение на тему Проектирование и анализ миниатюрной СШП-антенны

Аннотация. В данной статье предлагается миниатюрная капсульная антенна сверхширокополосного диапазона (UWB) для беспроводной капсульной эндоскопии (WCE). Антенна представляет собой компактную плоскую щелевую микрополосковую антенну с модифицированной частичной заземлением. Rogers TMM 13i используется в качестве материала подложки антенны. Приблизительная среда всего желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека с окружающими тканями разработана с помощью CST Microwave Studio, а производительность антенны исследуется путем помещения ее в центр окружающей среды. Предлагаемый размер антенны составляет 90 мм3 (10 мм × 10 мм × 0,9 мм), резонансная частота составляет около 4,5 ГГц с шириной полосы -10 дБ около 2,9 ГГц в диапазоне от 3,1 ГГц до 6 ГГц, а диаграмма направленности является всенаправленной с круговой поляризация в биологической модели. Наблюдается, что максимальная эффективность излучения составляет -28,39 дБ. Значение SAR в желудочно-кишечном тракте также определяется для анализа биосовместимости.

Ключевые слова: беспроводная капсульная эндоскопия, капсульная антенна, СШП-антенна, глотательная антенна, желудочно-кишечный тракт.

Введение

Беспроводная капсульная эндоскопия (WCE) – это неинвазивный метод визуализации всего желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), где традиционная эндоскопия не может достичь внутренней части тонкой кишки [1]. Кроме того, традиционная эндоскопия с длинной гибкой трубкой, оснащенной видеокамерой, проходит через горло человека в прямую кишку, что вызывает боль и дискомфорт. Врачи рекомендуют капсульную эндоскопию вместо традиционной, чтобы найти причину желудочно-кишечного кровотечения, диагностировать воспалительные заболевания кишечника, рак, целиакию и т. Д. [1].

Беспроводная капсула – это капсула витаминного размера, обычно размером менее 11 мм × 30 мм (диаметр × длина) [2], состоящая из нескольких микроэлектронных цепей, датчиков, CMOS-камеры, светодиодов, аккумулятора и антенны передатчика. который связывается с внешними устройствами для отображения изображений или результатов тракта GI при прохождении через него. Таким образом, антенна является важной частью WCE.

Антенны капсулы для приема внутрь должны быть небольшими для размещения внутри капсулы. Кроме того, он должен быть всенаправленным и циркулярно поляризованным, чтобы информация могла передаваться независимо от направления и ориентации капсулы и иметь более высокую пропускную способность для передачи видео в реальном времени GI Tract [2]. Наиболее важно, что он должен работать в чувствительной среде, то есть в теле человека. Поэтому разработка такого типа антенн является сложной задачей.

Многие исследователи разработали различные типы передающих антенн для WCE, такие как спираль, коническая спираль, микрополосковая петля и т. д. [3]. Например, Lim et al. [4] предложили две конструкции двухполосной плоской антенны с размерами 30 мм × 25 мм и 23 мм × 24 мм соответственно для WCE в упрощенной модели человека, работающей на частоте 500 МГц с полосой пропускания около 250 МГц. В другом исследовании Го и Чу [5] разработали плоскую инвертированную F-антенну размером 18 мм × 10 мм для беспроводной принимаемой капсулы внутри однослойного кубического фантома мышц, работающего в диапазоне ISM (2,4-2,48 ГГц). Кроме того, Николаев и др. Сконструировали конформную капсульную антенну 434 МГц в теле длиной 10 мм и диаметром 7 мм, которая остается согласованной ниже –10 дБ в широком диапазоне тканей тела. [6]. Более того, Li et al. [7] предложили конформную капсульную антенну с циркулярной поляризацией (СР) радиусом 5 мм и длиной 15 мм внутри однослойной модели фантома однородной мышцы, которая обеспечивает ширину полосы импеданса 10 дБ на уровне 31,58%. Кроме того, была предложена конформная трапециевидная полоса, возбуждающая широкополосную полусферическую диэлектрическую резонаторную антенну объемом 134 мм3 внутри жидкости, имитирующей ткань, которая работает на сверхширокополосной (СШП) нижней полосе 3,1–4,8 ГГц [8]. В настоящее время такие компании, как Olympus, Intromedic и Philips, выпускают капсулы WCE под названием Endocapsule, MicroCam и Intellicap [2, 9]. Однако полосы пропускания вышеупомянутых антенн недостаточно для передачи в реальном времени. Хотя антенна СШП объемом 81 мм3 [10] и 528,864 мм3 [11] была предложена для высокой скорости передачи данных (ширина полосы 1,8 ГГц и 2,2 ГГц соответственно) в пределах выделенной полосы СШП от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, всегда есть объем миниатюризации и расширение полосы пропускания антенны.

В этой статье для WCE предлагается компактная планарная патч-антенна UWB в частотном диапазоне от 3,1 ГГц до 6 ГГц, и ее производительность анализируется во всей модели GI Tract. Задачами этой конструкции, которые необходимо было преодолеть, были миниатюризация размера, расширение полосы пропускания с оптимизированной резонансной частотой, наличие всенаправленной диаграммы направленности с круговой поляризацией и сохранение безопасности пациента. Статья организована следующим образом. В разделе II описывается конструкция антенны и модель желудочно-кишечного тракта человека. В разделе III анализируются характеристики антенны внутри желудочно-кишечного тракта. Наконец, в разделе IV приводятся заключительные замечания и будущие рекомендации.

Дизайн и модель

Различные аспекты конструкции антенны и модели желудочно-кишечного тракта человека обсуждаются ниже:

Дизайн антенны

Предлагаемая антенна состоит из проводящей накладки, заземляющей плоскости и подложки. В этой конструкции подложка находится между пластырем и землей.

Объем проектируемой микрополосковой патч-антенны составляет 90 мм3 (10 мм × 10 мм × 0,9 мм), что составляет всего 3,16% от объема капсулы.

Структура предложенной антенны показана на рис. 1, а размеры компонентов антенны указаны в таблице I. В этой работе в качестве подложки выбран Rogers TMM 13i, поскольку он имеет высокую относительную диэлектрическую проницаемость (εr = 12,85 ) и тангенса угла потерь (tanδ = 0,0019), который помогает уменьшить эффективную длину волны для этой миниатюрной антенны. Заплата и земля сделаны из меди.

Частичная земляная плоскость используется для улучшения свойства излучения. Чтобы увеличить пропускную способность, верхние углы земли удалены. Вырезы вводятся в верхний центр основания для улучшения согласования импедансов, а также для увеличения полосы пропускания [12].

Проводящий участок представляет собой круглый участок с радиусом 2,5 мм, рассчитанный по формуле [13], приведенной ниже:

<Р> (1)

где – радиус пятна, скорость света в среде, диэлектрическая проницаемость подложки и резонансная частота.

Слот плюсовой (+) формы вводится в центре патча, а слот с разделенным кольцом окружен снаружи слота для увеличения полосы пропускания, а также для оптимизации резонансной частоты. Эти слоты уменьшают добротность патч-антенны, увеличивая индуктивность патча. Ширина полосы обратно пропорциональна добротности. Таким образом, пропускная способность увеличивается. В то же время эти слоты уменьшают диапазон рабочих частот антенны для данного размера, поскольку резонансная частота обратно пропорциональна индуктивности пластыря. Два квадратных паза были также введены на краю пластыря для получения антенны с круговой поляризацией с одной подачей. Отношение осей было оптимизировано с использованием параметров Ws и Ls [14].

Антенна подается через волноводный порт. Круглый патч подается по линии подачи с соответствующим сечением шириной 1,6 мм.

ТАБЛИЦА I

Геометрические размеры предлагаемой антенны

Значение параметра (мм)

Длина основания, L = 10; Ширина, W = 10; Толщина = 0,4

Патч C1 = 2,5; С2 = 1,5; С3 = 1,3; S1 = 1; S2 = 0,5; Ls = Ws = 0,8; Толщина = 0,25

Линия подачи М1 = 1,8; М2 = 1,8; М3 = 3,2; Толщина = 0,25

Земля A = 3; B = 1; С = 2,8283; Толщина = 0,25

Чтобы представить оболочку капсулы, антенна покрыта биосовместимым материалом Teflon (εr = 2,1 и tanδ = 0,0002), который сохраняет безопасность пациента.

Модель тракта GI человека

Пищевая антенна движется вдоль желудочно-кишечного тракта человека, который состоит из пищевода, желудка, тонкой кишки, толстой кишки, прямой кишки и заднего прохода. Таким образом, модели пищевода человека, желудка, тонкой кишки и толстой кишки были разработаны для моделирования приближенной окружающей среды.

Пищевод моделируется с помощью круглого цилиндра длиной 60 мм и радиусом 10 мм, как показано на рис. 2 (а). Кроме того, на рис. 2 (б) показана сферическая модель желудка с радиусом 20 мм. Кроме того, круглая цилиндрическая форма тонкой кишки, включающая длину 80 мм и радиус 10 мм, показана на фиг. 2 (с). Коробчатая модель толстой кишки также была разработана с размерами 40 мм х 70 мм х 40 мм, как показано на рис. 2 (г).

Кроме того, слои окружающей ткани (мышцы, жир, кожа) расположены последовательно вокруг всех этих четырех моделей. Значения малых размеров четырех моделей были выбраны для простоты и ускорения вычислений. Сечение всего желудочно-кишечного тракта показано на рис. 3. В таблице II представлены свойства тканей, используемых при моделировании на частоте 5 ГГц [15], [16]. Антенна расположена в центре четырех моделей тракта желудочно-кишечного тракта, как показано на рис. 4, и соответствующие смоделированные результаты представлены в следующем разделе.

Приемлемая антенна имеет минимальную величину коэффициента отражения (| S11 |), равную -20,02, и ширину полосы -10 дБ, равную примерно 2,9 ГГц, в диапазоне от 3,1 ГГц до 6 ГГц по всему тракту желудочно-кишечного тракта. Поскольку дробная полоса пропускания превышает 50% во всем тракте желудочно-кишечного тракта, это антенна СШП.

Радиационная схема

2D диаграмма излучения дальнего поля антенны в E-плоскости и H-плоскости внутри четырех моделей ткани на резонансной частоте показана на рисунке 6. Из диаграммы излучения очевидно, что антенна показывает всенаправленную диаграмма направленности на всем протяжении тракта GI для плоскости E и плоскости H Таким образом, антенна сможет передавать информацию во всех направлениях независимо от направления и ориентации капсулы, что важно для принимаемой антенны.

Трехмерная диаграмма направленности антенны внутри четырех тканевых моделей желудочно-кишечного тракта представлена ​​на рис. 7. Направленность антенны составляет 4,76 дБи, 4,59 дБи, 4 дБи и 4,46 дБи внутри пищевода, желудка. , тонкой кишки и толстой кишки соответственно. Эффективность излучения и общая эффективность антенны в свободном пространстве составляют -0,3396 дБ и -0,7398 дБ соответственно, однако из-за окружающих тканей с потерями эффективность излучения и общая эффективность снижаются до -28,39 дБ и -28,46 дБ соответственно внутри GI. тракт показан в таблице III.

Предлагаемая антенна в этой статье более миниатюрна и имеет большую полосу пропускания, чем антенны [4], [5], [8], [10] и [11]. С другой стороны, антенна обеспечивает лучший оптимизированный размер и ширину полосы, чем антенны из [6] и [7].

Выводы

В документе представлены дизайн, моделирование и анализ миниатюрной СШП антенны для приема внутрь капсулы для беспроводной капсульной эндоскопии. Антенна и четыре области поля действия антенны, то есть желудочно-кишечный тракт, смоделированы в CST Microwave studio. Результаты моделирования показывают, что антенна работает на частоте около 4,5 ГГц с шириной полосы -10 дБ около 2,9 ГГц в диапазоне от 3,1 ГГц до 6 ГГц, обеспечивает всенаправленную диаграмму направленности с круговой поляризацией.

Тем не менее, эта антенна может быть использована для WCE, там требуется экспериментальная оценка для проверки результатов моделирования. Будущие работы будут включены в производство прототипа антенны и разработку UWB конформных антенн для WCE.

Поделиться сочинением
Ещё сочинения
Нет времени делать работу? Закажите!

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.