Компактная и широкополосная MIMO-антенна для высоких частот.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14290 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1936 г.

4 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Благодаря недавним достижениям в области дополнительных камер металл-оксид-полупроводник (КМОП) в беспроводной капсульной эндоскопии стала возможна передача изображений и видео высокого разрешения. Для таких данных требуется высокоскоростная передача данных, что возможно с использованием антенн с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). В этой статье была предложена малогабаритная, компактная, с высокой скоростью передачи данных, высокоизолированная двухэлементная MIMO-антенна с большой полосой пропускания на частоте 2,45 ГГц для беспроводной капсульной эндоскопии. Геометрия антенны (\(5\times 4,2 \times 0,12\,\hbox {мм}^{3}\)) сохраняется небольшой за счет извилистой геометрии, дефектной структуры заземления и высокой диэлектрической проницаемости подложки. Более широкая полоса пропускания 620 МГц (2,15–2,77 ГГц) достигается за счет возбуждения двухмодовой антенны с использованием структуры дефектного заземления. Кроме того, достигается меньшая взаимная связь между антеннами (30,1 дБ на частоте 2,45 ГГц), несмотря на небольшой зазор между краями в 0,5 мм, за счет сочетания дефектной заземляющей структуры и I-образного шлейфа. Принимая во внимание конфигурацию уровня системы, эта антенна моделируется и измеряется внутри капсульного устройства с учетом влияния других компонентов и самого устройства. Практические измерения проводятся путем помещения капсульного устройства (содержащего MIMO-антенну) внутрь фарша. Чтобы проверить безопасность и эффективность предлагаемой антенны MIMO, рассчитываются и проверяются ее удельный коэффициент поглощения (SAR) и бюджет канала. Кроме того, проверяются характеристики канала \(2\times 2\), что показывает удовлетворительную производительность. Эта антенна имеет более высокую пропускную способность канала (\(\около 8,2 \,\hbox {бит/с/Гц}\) при \(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {дБ}\)) чем одновходовая-одинарная Таким образом, выходные антенны (SISO) являются подходящим выбором для капсульных эндоскопических устройств с высокой скоростью передачи данных. Насколько известно авторам, это первая имплантируемая MIMO-антенна с таким меньшим размером и более широкой полосой пропускания.

Для пациентов с заболеваниями внутренних органов постоянный мониторинг их состояния требует их физического присутствия в больницах в течение длительного времени. Чтобы помочь таким пациентам и другим пациентам с подобными заболеваниями, недавние исследовательские усилия были направлены на разработку беспроводных систем мониторинга пациентов, которые собирают необходимые данные от пациентов, не выходя из дома, без необходимости для этого находиться в больнице. Такие системы требуют введения в тело медицинского сенсорного устройства (имплантируемого или проглатываемого), и это устройство включает в себя передатчик для беспроводной отправки данных на внешнее устройство. Далее полученную информацию можно легко передать в больницу для анализа в режиме реального времени и экстренного сообщения. Эта концепция продемонстрирована на рис. 1 для пероральных капсул как сенсорных устройств, используемых при наблюдении за пациентами с кишечными заболеваниями. Капсула такого типа представляет собой интегрированную систему, состоящую из необходимых датчиков, камеры, антенны, аккумуляторов и печатной платы. Конструкция таких капсул и подобных медицинских сенсорных устройств рассматривалась в недавних работах для различных медицинских применений1. Например, системы мониторинга внутриглазного давления при глаукоме были представлены в1,2, а уровня глюкозы в3,4.

Концепция беспроводной системы мониторинга пациентов с использованием проглатываемой капсулы.

Помимо беспроводного мониторинга пациентов, имплантируемые медицинские сенсорные устройства были разработаны для других медицинских применений, таких как запись нервных сигналов и их стимуляция5,6,7, контроль сердцебиения8,9 и выполнение капсульной эндоскопии10,11. Ключевым компонентом вышеупомянутых имплантируемых систем является передающая антенна, для которой крайне важны два конструктивных параметра: размер и скорость передачи данных12. К уменьшению размеров имплантируемых антенн следует подходить с использованием методов, которые не ухудшают скорость передачи данных и характеристики связи. В литературе это было достигнуто за счет использования следующих структур и технологий: реактивной нагрузки13, подложек с высокой диэлектрической проницаемостью14, замедляющих структур15 и меандрированных резонаторов16. Еще одной проблемой при разработке имплантируемой антенны является многолучевое искажение (вызванное потерями тканей человека) внутри человеческого тела17. Одним из способов смягчить эффекты искажений в однодиапазонных имплантируемых антеннах является использование конструкций с круговой поляризацией, таких как представленные в18,19. Другой способ — развернуть много- или широкополосные имплантируемые антенны, такие как конструкции, описанные в 20,21 для двухдиапазонной работы22,23, для трехдиапазонной работы24,25, для четырехдиапазонной работы и 26,27 для широкополосной работы. операция. Однако скорости передачи данных, достигаемые с помощью вышеупомянутых методов, не столь желательны для медицинских приложений реального времени. Для дальнейшего повышения скорости передачи данных имплантируемых антенн можно использовать конфигурацию с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO)28,29 вместо конфигурации с одним входом и одним выходом (SISO)30,31. Например, имплантируемая антенна MIMO, о которой сообщалось в 32, использовалась для получения изображений с высоким разрешением, требующих высоких скоростей передачи данных. В нем использовались две антенны для передачи изображений высокого разрешения, снятых с помощью беспроводного капсульного эндоскопа. Основным преимуществом этой антенны была высокая скорость передачи данных по сравнению с другими обычными SISO-антеннами. Однако у него есть недостатки: узкая полоса пропускания, более низкая изоляция и большой размер. В литературе также сообщалось об антеннах MIMO с двумя или более элементами для медицинского применения вживляемых антенн33,34,35. В33 была разработана двухэлементная имплантируемая MIMO-антенна с использованием спирального излучателя и заземляющей плоскости спиральной линии. Как и другие антенны MIMO, она может поддерживать высокие скорости передачи данных без дополнительной мощности и частоты. Однако у него есть недостатки: большие размеры, низкий уровень изоляции и ограниченная полоса пропускания 10 дБ. В34 была разработана четырехэлементная MIMO-антенна в диапазоне ISM 2,45 ГГц для имплантируемых медицинских устройств. Антенна основана на структурах с электромагнитной запрещенной зоной (EBG) и частичной заземляющей пластиной. Основными ограничениями этой антенны являются ее узкая полоса пропускания, большие размеры и более низкий уровень изоляции. В32 была введена система с двумя антеннами для приложений биотелеметрии с высокой скоростью передачи данных. Эта антенна имеет преимущество с точки зрения высокого уровня изоляции, но страдает узкой полосой пропускания и большим размером. В работе 36 было проведено исследование mutula-связи имплантированной в тело MIMO-антенны. По сравнению с другими антеннами она имеет относительно небольшие размеры, но за счет чрезвычайно узкой полосы пропускания и больших размеров. Авторы работы 37 разработали антенну MIMO с высокой скоростью передачи данных для биомедицинских приложений. Он имеет хороший реализованный коэффициент усиления, но страдает от узкой полосы пропускания, большого размера и более низкого уровня изоляции. В38 авторы разработали MIMO-антенну для глубоко имплантируемых медицинских устройств. Он охватывает полосу пропускания 320 МГц с центральной частотой 2,45 ГГц. Эта антенна имеет несколько хороших характеристик (высокая скорость передачи данных, хорошая пропускная способность канала, хорошее пиковое усиление и т. д.), но страдает от большого размера, ограниченной полосы пропускания и низкой изоляции. Хотя доказано, что антенны MIMO увеличивают скорость передачи данных, это увеличение, однако, происходит за счет громоздкости устройства36,37,38. Соответственно, использование компактного элемента является основным подходом к уменьшению размера устройства. Однако уменьшение размера антенн MIMO должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечить высокую изоляцию между элементами.