ΤΟΜΕΑΣ: Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας (Τ.&Τ.Π.) Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας (Τ.&Τ.Π.) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: Εργαστήριο Θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Πανταζή Εμμανουήλ του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: Θέμα Aσύρματη φόρτιση αυτόνομων κεραιών στο σώμα Επιβλέπων Κουλουρίδης Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2019

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Ασύρματη φόρτιση αυτόνομων κεραιών στο σώμα Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πανταζή Εμμανουήλ του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Κουλουρίδης Σταύρος, Επίκουρος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Κωτσόπουλος Σταύρος, Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ασύρματη φόρτιση αυτόνομων κεραιών στο σώμα» Φοιτητής: Εμμανουήλ Πανταζής Επιβλέπων: Κουλουρίδης Σταύρος Περίληψη Σε αυτή τη διπλωματική εργασία θα δούμε πρωτοποριακές δομές μικροταινιακών κεραιών με σκοπό την ασύρματη φόρτιση εμφυτεύσιμων ιατρικών συσκευών στο ανθρώπινο σώμα. Συγκεκριμένα, θα μελετήσουμε την ασύρματη ζεύξη μεταξύ δύο κεραιών οπού η μία βρίσκεται εντός σώματος. Η σχεδίαση των κεραιών θα πραγματοποιηθεί στο λογισμικό HFSS. Για την προσομοίωση του ανθρώπινου σώματος θα χρησιμοποιήσουμε μία δομή που θα περιέχει τρείς διαφορετικούς τύπους ιστών του ανθρώπινου σώματος (δέρμα, λίπος, μύες). Για λόγους ασφαλείας οι κεραίες θα πρέπει να έχουν μικρό μέγεθος και η συχνότητα λειτουργίας τους θα πρέπει να ανήκει στη μπάντα MICS ( MHz). Με το λογισμικό ADS θα σχεδιάσουμε το κύκλωμα προσομοίωσης του συστήματος. Για την ασύρματη ζεύξη των κεραιών θα χρησιμοποιηθούν παράμετροι εμπέδησης που εξάγονται από το HFSS. Τέλος θα συγκρίνουμε τις αποδόσεις ισχύος των κεραιών που σχεδιάσαμε και θα επιτύχουμε απόδοση % κεραία προς κεραία. i

4 Abstract In this thesis we will examine innovative microstrip antenna structures for the purpose of wireless charging implantable medical devices inside the human body. Specifically, we will study the wireless link between two antennas, one of which is implanted in the human body. The antennas design process will occur on the High Frequency Structure Simulator (HFSS) software. We will design a structure consisted of three human tissues (skin, fat, muscle), which will simulate the human body. Then we will design and study three different small microstrip antennas, which, for safety reasons, will function between the MICS band ( MHz). By using the Advanced Design System (ADS) software we will design a circuit simulating the whole system, from source to load. For the wireless link we are going to use Z-parameters which are extracted from HFSS. Finally, by comparing the performance of our designs we end up with a % RFtoRF performance. Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας κ. Κουλουρίδη Σταύρο, για την υποστήριξη και την βοήθεια που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Επίσης ευχαριστώ θερμά την οικογένεια και τους φίλους που στάθηκαν δίπλα μου όλα αυτά τα χρόνια. ii

5 Περιεχόμενα Εισαγωγή... 1 Κεφάλαιο 1 Ιατρικοί αισθητήρες και κεραία. Ασύρματη Μεταφορά Ενέργειας Τύποι ιατρικών ηλεκτρονικών διατάξεων Φορετές διατάξεις Καταπόσιμες διατάξεις Εμφυτεύσιμες διατάξεις Κεραίες Χαρακτηριστικά κεραιών Διαδεδομένες κεραίες Μικροταινιακές κεραίες Ορθογώνια μικροταινιακή κεραία Επίπεδη κεραία ανεστραμμένου F - Planar inverted F antenna (PIFA) Τεχνικές σμίκρυνσης μικροταινιακής κεραίας Ταλαντωτής διαχωρισμένων δαχτυλιδιών - Split ring resonators (SRR) Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ανθρώπινου σώματος Κανόνες ασφάλειας Ρυθμός ειδικής απορρόφησης-specific Absorption Rate (SAR) Υπηρεσία ραδιοεπικοινωνίας ιατρικών συσκευών - Medical Device Radiocommunications Service-MedRadio Κύκλωμα ανόρθωσης Ανόρθωση με μία δίοδο Ανόρθωση με δύο διόδους Κεφάλαιο 2 Λογισμικό Προσομοίωσης Κεραιών και Υψίσυχνων Κυκλωμάτων HFSS (Προσομοιωτής δομών υψηλών συχνοτήτων-high Frequency Structure Simulator) Υλικά σχεδίασης Τροφοδοσιές Σχεδίαση περιβάλλον εκπομπής iii

6 2.1.4 Εξαγωγή snp παραμέτρων ADS (Σύστημα ανεπτυγμένης σχεδίασης Advanced Design System) Δημιουργία στοιχείων από εξωτερικές βιβλιοθήκες Ρύθμιση τιμής πυκνωτή Κύκλωμα συντονισμού Κύκλωμα ασύρματης ζεύξης κεραιών Κύκλωμα ανόρθωσης Κύκλωμα συστήματος Κεφάλαιο 3 Κεραία μικροταινίας με δαχτυλίδια συντονισμού Δομή κεραίας Χαρακτηριστικά λειτουργίας της διάταξης Επεξεργασία μετρήσεων - Αποτελέσματα Κεφάλαιο 4 Κεραία μικροταινίας μαιάνδρου και δαχτυλίδια συντονισμού Δομή κεραίας Χαρακτηριστικα λειτουργιας της κεραιας Επεξεργασία μετρήσεων - Αποτελέσματα Κεφάλαιο 5 Κεραία Μικροταινίας με μαιανδρικό ανακλαστήρα και δαχτυλίδια συντονισμού Δομη κεραίας Χαρακτηριστικά λειτουργίας της κεραίας Αποτελέσματα και επεξεργασία μετρήσεων Κεφάλαιο 6 Συμπεράσματα Σύγκριση αποτελσμάτων στη συχνότητα συντονισμού Σύγκριση αποτελσμάτων σε συχνότητα εντός μπάντας MICS Δομή μαιάνδρου ως μέταλλο εκπομπής σε μικροταινιακή κεραία Βιβλιογραφία iv

7 Εισαγωγή Η εξέλιξη της μικροηλεκτρονικής, τα τελευταία χρόνια, έχει ενσωματωθεί στην καθημερινότητα των ανθρώπων και έχει συμβάλει στη πρόοδο των επιστημών σε πολύ μεγάλο βαθμό. Μια από αυτές τις επιστήμες είναι η ιατρική, η οποία με τη πάροδο του χρόνου χρησιμοποιεί όλο και περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές για τη πρόληψη, διάγνωση και θεραπεία διαφόρων παθήσεων. Για τον καθένα από τους παραπάνω στόχους έχουν δημιουργηθεί εξειδικευμένες διατάξεις που ενσωματώνονται στο σώμα. Χωρίζονται σε φορετές, καταπόσιμες και εμφυτεύσιμες. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι εμφυτεύσιμες, οι οποίες λειτουργούν εντός του σώματος, γεγονός που σημαίνει ότι δεν υπάρχει φυσική σύνδεση με τον εξωτερικό κόσμο. Υπάρχει όμως ασύρματη σύνδεση μεταξύ της κεραίας που διαθέτουν και κάποιας εξωτερικής κεραίας. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι να σχεδιαθεί και να μελετηθεί ένα ζεύγος κεραιών με σκοπό την ασύρματη μεταφορά ενέργειας στην εμφυτεύσιμη συσκευή. Στο πρώτο κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με το θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας. Αρχικά, θα αναφέρουμε τρεις τύπους ιατρικών ηλεκτρονικών διατάξεων που αλληλοεπιδρούν με το ανθρώπινο σώμα. Στη συνέχεια θα παραθέσουμε τις πιο διαδεδομένες κεραίες και τα κυριότερα χαρακτηριστικά αυτών. Θα μελετήσουμε τις μικροταινιακές κεραίες και τους ταλαντωτές διαχωρισμένων δαχτυλιδιών που αργότερα θα χρησιμοποιηθούν στο σχεδιαστικό μέρος. Έπειτα θα παρουσιάσουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου σώματος καθώς και τους κανονισμούς ασφαλείας που έχουν οριστεί. Τέλος θα περιγράψουμε το κύκλωμα ανόρθωσης μέσω του οποίου γίνεται η φόρτιση της μπαταρίας στην εμφυτεύσιμη διάταξη. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα περιγράψουμε τα λογισμικά που θα χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό των κεραιών μας και για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Στο ένα λογισμικό προσομοιάζουμε τον περιβάλλοντα χώρο των κεραιών, δηλαδή τους ανθρώπινους ιστούς και στο άλλο το κύκλωμα του όλου συστήματος. Τα επόμενα τρία κεφάλαια είναι αφιερωμένα στις κεραίες που θα εξετάσουμε. Το κάθε κεφάλαιο περιέχει πληροφορίες για το σχεδιασμό μίας κεραίας, καθώς και τα αποτελέσματα της λειτουργίας της. Στο έκτο κεφάλαιο συγκρίνουμε τα αποτελέσματα των παραπάνω κεραιών ως προς την απόδοση τους. Επίσης σχολιάζουμε τη δομή μαιάνδρου ως μέταλλο εκπομπής σε μικροταινιακή κεραία. 1

8 Κεφάλαιο 1 Ιατρικοί αισθητήρες και κεραία. Ασύρματη Μεταφορά Ενέργειας 1.1 Τύποι ιατρικών ηλεκτρονικών διατάξεων Η δημιουργία των ιατρικών ηλεκτρονικών διατάξεων βρίσκει άμεση εφαρμογή στην ιατρική πρακτική. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από μια μικροκεραία και μια ιατρική μικροσυσκευή. Η μικροσυσκευή μπορεί να είναι ένας αισθητήρας, ένας διεγέρτης ή ένας μετρητής ενώ η μικροκεραία επιτελεί το έργο της μεταφοράς ενέργειας ή πληροφορίας. Παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς χάρη στο μικρό τους μέγεθος προσφέρουν σημαντική βοήθεια στον ασθενή χωρίς να επηρεάζουν τη καθημερινότητα του. Η επίβλεψη της λειτουργίας και ο χειρισμός των διατάξεων αυτών ανατίθεται είτε στον υπεύθυνο ιατρό είτε στον ίδιο τον ασθενή Φορετές διατάξεις Οι φορετές διατάξεις τοποθετούνται εξωτερικά του ανθρώπινου σώματος και μπορούν να μετρήσουν ιατρικές παραμέτρους όπως είναι η μέτρηση της αρτηριακής πίεσης, ο καρδιακός παλμός, τα αποτελέσματα κάποιας αθλητικής δραστηριότητας, κ.ά.. Παραδείγματα αποτελούν το πιεσόμετρο (Blood Pressure Monitor) της nokia καθώς και το βιομετρικό ρολόι της powerpharm. Το πρώτο είναι ένα πιεσόμετρο με ενσωματωμένη μικροκεραία, η οποία στέλνει τις μετρήσεις στο κινητό του ασθενούς σε πραγματικό χρόνο ενώ το δεύτερο ένα ρολόι με ενσωματωμένο πιεσόμετρο, μετρητή οξυγόνου στο αίμα και θερμιδομετρητή. Κοινός παρονομαστής και των δύο είναι η αποθήκευση των μετρήσεων για πιο ορθή παρακολούθηση του ασθενούς. Εικόνα 1.1: Αριστερά το πιεσόμετρο της Nokia, δεξιά το βιομετρικό ρολόι της Powerpharm 2

9 1.1.2 Καταπόσιμες διατάξεις Οι καταπόσιμες διατάξεις εισέρχονται στον οργανισμό από τη στοματική κοιλότητα του ασθενούς. Έχουν σχήμα κάψουλας και περιβάλλονται από μία μεμβράνη που τις προστατεύει από τα στομαχικά υγρά. Χρησιμοποιούνται συνήθως για την εξέταση και την παρατήρηση του παχέος και του λεπτού εντέρου. Οι διατάξεις αυτές είναι μικρές σε μέγεθος και διευκολύνουν τον ασθενή κατά τη διάρκεια της εξέτασης καθώς οι συμβατικές μέθοδοι, όπως η εξέταση με ενδοσκόπιο, μπορεί να προκαλέσουν πόνο, δυσφορία και τελικά να χρειαστεί ολική νάρκωση του ασθενούς. Ένα παράδειγμα είναι το PillCam SB 3 της εταιρείας GivenImagings το οποίο έχει δυνατότητες επεξεργασίας εικόνας, και μπορεί να ρυθμίσει τις εικόνες ανά δευτερόλεπτο ανάλογα με τη ταχύτητα κίνησης του. Εικόνα 1.2:GivenImagings PillCam SB Εμφυτεύσιμες διατάξεις Η ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης στον τομέα της μικροηλεκτρονικής και των τηλεπικοινωνιών, οδήγησε επίσης στο σχεδιασμό μικρών και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας βιοϊατρικών διατάξεων, οι οποίες μπορούν να εμφυτευτούν στο σώμα του ασθενούς. Αυτό πραγματοποιείται μέσω χειρουργικής επέμβασης και δίνει μία νέα διάσταση στον τομέα της Ασύρματης Ιατρικής Τηλεμετρίας. Αποτελούνται από έναν αισθητήρα (sensor) ή διεγέρτη (stimulator) και μέσω της κεραίας που διαθέτουν επικοινωνούν σε πραγματικό χρόνο με το εξωτερικό περιβάλλον αποστέλλοντας πληροφορίες ή λαμβάνοντας εντολές από τους ιατρούς για τη λειτουργία τους. Η κάθε διάταξη χρειάζεται ενέργεια, δηλαδή μια πηγή τροφοδοσίας, για να λειτουργήσει. Μια μπαταρία θα μπορούσε να παρέχει την απαραίτητη ενέργεια. Χρησιμοποιούμε ειδικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες γιατί οι συμβατικές θα χρειάζονταν αντικατάσταση μετά την εξάντληση τους και περιέχουν επιβλαβείς ουσίες για τον άνθρωπο. Η ενέργεια για τη φόρτιση της μπαταρίας παρέχεται ασύρματα από κάποια εξωτερική πηγή χωρίς άμεση επαφή με την εμφυτεύσιμη διάταξη προς αποφυγή μολύνσεων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ασύρματης ζεύξης των κεραιών. 3

10 Η χρησιμότητα αυτών των διατάξεων είναι αδιαμφισβήτητη καθώς υποστηρίζουν και βελτιώνουν το επίπεδο ζωής σημαντικά μεγάλου πληθυσμού ασθενών. Υπάρχει πληθώρα διαφορετικών εμφυτεύσιμων ιατρικών συσκευών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν τα εξής: i. Παρακολούθηση θερμοκρασίας: Οι γυναίκες συχνά πραγματοποιούν ημερήσιες καταγραφές της βασικής θερμοκρασίας του σώματος για να υποδείξουν την ωορρηξία τόσο για σκοπούς φυσικής αντισύλληψης όσο και για γονιμοποίηση in vitro. ii. iii. iv. Βηματοδότες: Βοηθούν στη ρύθμιση του μη φυσιολογικού καρδιακού παλμού χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς παλμούς για την επίτευξη σωστού ρυθμού. Καρδιακοί απινιδωτές: Παρακολουθούν διαρκώς τον καρδιακό ρυθμό και σε περίπτωση που εντοπισθούν επικίνδυνοι για την ζωή, καρδιακοί ρυθμοί, πραγματοποιούν μια στιγμιαία ηλεκτρική διέγερση. Συστήματα νευρομυϊκής διέγερσης: Παράδειγμα αποτελεί ο νευροδιεγέρτης που επιτρέπει την παρακολούθηση του παλίνδρομου λαρυγγικού νεύρου κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης του θυρεοειδούς και των παραθυρεοειδών αδένων. Αυξάνει την πιθανότητα διατήρησης της κινητικότητας των φωνητικών χορδών,η απώλεια της οποίας αποτελεί πιθανό σφάλμα τέτοιων επεμβάσεων. v. Αισθητήρες γλυκόζης: Μετρούν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας, ανά μερικά δευτερόλεπτα, μέσω ενός αισθητήρα τοποθετημένου κάτω από το δέρμα στο επίπεδο του στομάχου και στέλνει τις μετρήσεις ασύρματα στην συσκευή παρακολούθησης. vi. vii. Κοχλιακά εμφυτεύματα. Μετατρέπουν τα ηχητικά σήματα σε ηλεκτρικές διεγέρσεις για το ακουστικό νεύρο. Λόγου αυτού θεωρείται ένα μέσο αντικατάστασης του ρόλου του κοχλία του αυτιού. Εμφυτεύματα αμφιβληστροειδούς: Μία ειδικά τοποθετημένη κάμερα λαμβάνει την εικόνα, η οποία στην συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα. Το ηλεκτρικό σήμα μέσω καλωδίου μεταφέρεται στο εμφύτευμα και από εκεί στα οπτικά κέντρα του εγκεφάλου. Ο εγκέφαλος το αντιλαμβάνεται ως εικόνα. Άτομα που πάσχουν από ασθένειες του αμφιβληστροειδούς όπως η μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια και η ηλιακή εκφύλιση της ώχρας κηλίδας έχουν τη δυνατότητα να αποκαταστήσουν ως ένα βαθμό την όραση τους. 1.2 Κεραίες Μία κεραία είναι μία σειρά από αγωγούς, ηλεκτρικά συνδεδεμένους με τον δέκτη ή τον πομπό. Κατά τη διάρκεια της εκπομπής, το εναλλασσόμενο ρεύμα που εφαρμόζεται στην κεραία από μία πηγή δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο και ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τα 4

11 στοιχεία της κεραίας. Αυτά τα χρονικά μεταβαλλόμενα πεδία ακτινοβολούν την ενέργεια μακριά από την κεραία στο χώρο ως κύμα εγκάρσιου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αντιστρόφως, κατά τη διάρκεια της λήψης, τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία ενός εισερχόμενου ραδιοκύματος ασκούν δύναμη στα ηλεκτρικά στοιχεία της κεραίας, αναγκάζοντας τα να μετακινούνται προς τα εμπρός και προς τα πίσω, δημιουργώντας ταλαντευόμενα ρεύματα στην κεραία. Στις κεραίες έχουμε το φαινόμενο της συμβολής σύμφωνα με το οποίο τα διάφορα μέρη της κεραίας δρουν σαν κυματικές πηγές. Τα εκπεμπόμενα κύματα συναντιούνται με αποτέλεσμα σε κάποιες γωνίες του διαγράμματος ακτινοβολίας να εμφανίζονται τα λεγόμενα "σημεία μηδενισμού" το οποίο σημαίνει ότι τα κύματα μεταξύ τους έχουν διαφορά φάσης 180 ο ή δημιουργούνται μέγιστα σε κάποιες άλλες γωνίες όταν τα προσπίπτοντα κύματα έχουν την ίδια φάση (πχ κύριος λοβός). Υπάρχουν πολλών ειδών διαφορετικές κεραίες, όπου το κάθε είδος έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα έναντι άλλων όσον αφορά τις παραμέτρους τους όπως το κέρδος, το εύρος ζώνης, τη κατευθυντικότητα, κ.ά Χαρακτηριστικά κεραιών Διάγραμμα ακτινοβολίας: Ορίζεται ως η μαθηματική συνάρτηση ή η γραφική παράσταση των ιδιοτήτων ακτινοβολίας της κεραίας συναρτήσει των χωρικών συντεταγμένων. Το διάγραμμα ακτινοβολίας παρουσιάζεται συνήθως είτε σε τρισδιάστατο γράφημα είτε σε πολικό διάγραμμα (Εικόνα 1.3). Για τη καλύτερη κατανόηση του διαγράμματος ακτινοβολίας ορίζονται οι λοβοί, οι οποίοι χωρίζονται σε κύριους ή μέγιστους και σε μικρότερους. Οι μικρότεροι λοβοί χωρίζονται περαιτέρω σε πλευρικούς και οπίσθιους. Λοβός ακτινοβολίας είναι ένα τμήμα του διαγράμματος ακτινοβολίας που περιορίζεται από περιοχές σχετικά μικρής έντασης ακτινοβολίας. Μέγιστος ή κυρίως λοβός: Είναι ο λοβός ακτινοβολίας που περιέχει τη διεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας. Μικρότερος λοβός: Οποιοσδήποτε λοβός πέρα του μέγιστου. Πλευρικός λοβός: Ο λοβός ακτινοβολίας που προσανατολίζεται κατά μια διεύθυνση διαφορετική από την επιθυμητή Οπίσθιος λοβός: Ο λοβός ακτινοβολίας που ο άξονας του σχηματίζει γωνία 180 ο ως προς τον κύριο λοβό της κεραίας. 5

12 Εικόνα 1.3: Διάγραμμα ακτινοβολίας: (i) τρισδιάστατο γράφημα, (ii) πολικό διάγραμμα Κέρδος κεραίας: Η απολαβή ή κέρδος κατευθυντικότητας μιας κεραίας (Gain) υποδηλώνει το κατά πόσο η ακτινοβολούμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια από την κεραία συγκεντρώνεται σε μια καθορισμένη κατεύθυνση, ή εναλλακτικά υποδηλώνει το κατά πόσο μια κεραία λαμβάνει καλύτερα από μια κατεύθυνση παρά από οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση. Εύρος ζώνης κεραίας: Ορίζεται ως η περιοχή εκείνη των συχνοτήτων όπου οι προδιαγραφές της κεραίας, ως προς ορισμένα χαρακτηριστικά, ικανοποιούν κάποιες ειδικές προδιαγραφές. Αλλιώς, το εύρος ζώνης είναι η περιοχή συχνοτήτων εκατέρωθεν της κεντρικής συχνότητας όπου τα χαρακτηριστικά της κεραίας, όπως η σύνθετη αντίσταση εισόδου, η απολαβή, το εύρος δέσμης, έχουν μια τιμή αποδεκτή συγκριτικά με την τιμή τους στη κεντρική συχνότητα. Παράγοντας Q: Συγκρίνει το εύρος ζώνης της κεραίας με την κεντρική συχνότητα συντονισμού της. Δίνεται από το τύπο: Q = f 2 f 1 όπου: fc = η κεντρική συχνότητα συντονισμού f1 = Η χαμηλή συχνότητα του εύρους ζώνης f2 = Η υψηλή συχνότητα του εύρους ζώνης fc Όσο μεγαλύτερο το Q τόσο λιγότερο επηρεάζεται η κεραία από συχνότητες πέραν της κεντρικής. Κατευθυντικότητα: Είναι ο λόγος της έντασης ακτινοβολίας από μια κεραία σε μια δεδομένη διεύθυνση προς τη μέση ένταση ακτινοβολίας που εκπέμπεται συνολικά σε όλες τις κατευθύνσεις. Η μέση ένταση ακτινοβολίας προκύπτει από τη διαίρεση της ολικής 6

13 ακτινοβολούμενης ισχύος με 4π. Αν η διεύθυνση δεν προσδιορίζεται εκλαμβάνεται η διεύθυνση οπού η ένταση της ακτινοβολίας είναι μέγιστη. D= κατευθυντικότητα (χωρίς διαστάσεις) D = 4π U Prad U= ένταση ακτινοβολίας (W/μονάδα στερεάς γωνίας) Prad= ολική ακτινοβολούμενη ισχύς (W) Παράμετροι σκέδασης ή S-parameters: Οι παράμετροι αυτοί περιγράφουν την ηλεκτρική συμπεριφορά ενός γραμμικού ηλεκτρονικού συστήματος όταν το σύστημα διεγείρεται από κάποιο ηλεκτρικό σήμα και βρίσκεται στη μόνιμη κατάσταση. Ο όρος Scattering(σκέδαση) αναφέρεται στο φαινόμενο που παρατηρείται όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει κάθετα σε μία επιφάνεια ή διαπερνά ένα μέσο με διαφορετικές τιμές διηλεκτρικού. Η σκέδαση αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο τα κύματα ρεύματος και τάσης εντός μιας γραμμής μεταφοράς επηρεάζονται όταν εντός της γραμμής μεταφοράς παρουσιαστεί μια ασυνέχεια. Με άλλα λόγια, τα κύματα τάσης και ρεύματος συναντούν μια διαφορετική εμπέδηση από τη χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής μεταφοράς. Σε ένα δίκτυο με Ν θύρες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις S-παραμέτρους για να φτιάξουμε έναν τετραγωνικό ΝxN πίνακα που μας δίνει τη εξίσωση, (V ) = (S) (V + ) η οποία δίνει τη συνολική τάση που δέχεται η κάθε θύρα. Για παράδειγμα σε ένα δίκτυο με 2 θύρες θα έχουμε 4 S-παραμέτρους. Τις S11, S12, S21, S22 στις οποίες ο πρώτος δείκτης είναι η τερματική θύρα ενώ ο δεύτερος η θύρα αφετηρίας. Η συνολική τάση που δέχεται η θύρα 1 θα είναι: V1 - =S11*V1 + +S12*V2 + και η θύρα 2: V2 - =S21*V1 + +S22*V2 + S11: συντελεστής ανάκλασης της θύρας 1 S12: συντελεστής μετάδοσης από τη θύρα 2 στη θύρα 1 S21: συντελεστής μετάδοσης από τη θύρα 1 στη θύρα 2 S22: συντελεστής ανάκλασης της θύρας 2 7

14 Εικόνα 1.4 Δίκτυο δύο θυρών Όπως θα παρατηρήσουμε και στο πρακτικό κομμάτι, αν ένα δίκτυο έχει σε όλες τις θύρες του κοινή χαρακτηριστική αντίσταση ονομάζεται αμοιβαίο και ισχύει Sij=Sji, δηλαδή ο πίνακας [S] είναι συμμετρικός. Παράμετροι εμπέδησης ή Z-παράμετροι: Περιγράφουν την ηλεκτρική συμπεριφορά των γραμμικών ηλεκτρικών δικτύων. Επίσης χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την απόκριση μικρών σημάτων, τα οποία έχουν γραμμικοποιηθεί, σε μη γραμμικά δίκτυα. Είναι σχετικές με τις S-παραμέτρους, Y-παραμέτρους, Η-παραμέτρους, Τ-παραμέτρους και ABCD-παραμέτρους και μέσω μαθηματικών εξισώσεων μπορούν να μετατραπούν σε κάποια από τις παραπάνω μορφές. Για ένα δίκτυο 2 θυρών με ίδια χαρακτηριστική αντίσταση οι εξισώσεις που συσχετίζουν Ζ και S παραμέτρους είναι: Z 11 = ((1 + S 11)(1 S 22 ) + S 21 S 12 ) Δ S Z 0 Z 12 = 2S 12 Δ S Ζ 0 Z 21 = 2S 21 Δ S Ζ 0 Z 22 = ((1 S 11)(1 + S 22 ) + S 21 S 12 ) Δ S Z 0 Δ S = (1 S 11) (1 S 22 ) S 12 S 21 Ένα πλεονέκτημα των Ζ-παραμέτρων είναι ότι μπορούν να υπολογισθούν και να αναπαρασταθούν εντός ενός κυκλώματος μέσω πηγών τάσης, αντιστάσεων, πηνίων και 8

15 πυκνωτών. Στην εικόνα 1.5(i) βλέπουμε το ισοδύναμο κύκλωμα Ζ-παραμέτρων για ένα δίκτυο 2 θυρών και στην εικόνα 1.5(ii) αν αυτό το δίκτυο είναι αμοιβαίο. Εικόνα 1.5: (i)δίκτυο δύο θυρών, (ii) Αμοιβαίο δίκτυο δύο θυρών Διαδεδομένες κεραίες Ας εξετάσουμε κάποιες ευρέως γνωστές κεραίες ως προς τα χαρακτηριστικά τους. Δίπολο: Ο πιο απλός τύπος κεραίας είναι το δίπολο. Το δίπολο αποτελείται από δύο μεταλλικούς αγωγούς, το μήκος των οποίων είναι λ/4 έκαστος (συνολικό μήκος διπόλου λ/2 ). Τα δύο λ/4 μονόπολα βρίσκονται σε ευθεία γραμμή. Η τροφοδοσία του διπόλου γίνεται από τα εσωτερικά άκρα των δύο μονόπολων. Εικόνα 1.6: Δομή διπόλου Η συχνότητα λειτουργίας δίνεται από το τύπο: f= Ud λ = c 2 l ε r Όπου: f=συχνότητα λειτουργίας Ud=c/ ε r η ταχύτητα διάδοσης στο μέσο 9

16 c = η ταχύτητα του φωτός στο κενό ή αέρα εr= διηλεκτρική σταθερά του μέσου λ= μήκος κύματος l= μήκος του διπόλου Το δίπολο συντονίζει σε μία συχνότητα λόγω του ότι εξαρτάται μόνο από το μήκος του (Εικόνα 1.7). Το διάγραμμα ακτινοβολίας στην εικόνα 1.8 μας δείχνει ότι ένα δίπολο τοποθετημένο επί του άξονα Ζ έχει πανκατευθηντική εκπομπή καθώς εκπέμπει ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Εικόνα 1.7: Εύρος ζώνης διπόλου Εικόνα 1.8: Τρισδιάστατο διάγραμμα ακτινοβολίας διπόλου 10

17 Bowtie ή παπιγιόν: Αυτή η κεραία αποτελείται είτε από δύο μεταλλικά φύλλα ή μεταλλικά σύρματα σε σχήμα τριγώνου (Εικόνα 1.9). Η τροφοδοσία της κεραίας γίνεται στο κέντρο της κεραίας. Εικόνα 1.9: Κεραία παπιγιόν Ακτινοβολεί όπως το δίπολο, δηλαδή είναι πανκατευθηντική, αλλά έχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Εδώ αξίζει να σημειώσουμε ότι ένας κανόνας για τις κεραίες αναφέρει ότι όσο πιο παχιά είναι μια κεραία τόσο μεγαλύτερο το εύρος ζώνης λειτουργίας της. Εικόνα 1.10: Εύρος ζώνης κεραίας παπιγιόν 11

18 Όντως, παρατηρούμε ότι η κλίση στη συχνότητα συντονισμού είναι λιγότερο απότομη από αυτή του διπόλου, συνεπώς έχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Χοάνη: Οι κεραίες χοάνης είναι πολύ δημοφιλείς στις UHF (ultra-high frequency) (300 MHz-3 GHz) καθώς και σε ακόμα υψηλότερες συχνότητες. Συχνά έχουν διάγραμμα ακτινοβολίας προς μια κατεύθυνση με υψηλό κέρδος. Χρησιμοποιούνται όταν θέλουμε να επιτύχουμε ηλεκτρομαγνητική σύζευξη με κάποια συγκεκριμένη περιοχή. Υπάρχουν τέσσερα είδη κεραιών χοάνης, αλλά θα αναφερθούμε κυρίως στην πυραμοειδή που είναι η πιο γνωστή και η πιο διαδεδομένη. Τα τέσσερα είδη είναι: i) Ηλεκτρικού επιπέδου ii) Μαγνητικού επιπέδου iii) Πυραμιδοειδής iv) Κωνική Εικόνα 1.11: Κεραίες χοάνης, (i) Ηλεκτρικού πεδίου, (ii) Μαγνητικού πεδίου, (iii) Πυραμιδοειδής, (iv) Κωνική. Η τροφοδοσία αυτών των κεραιών γίνεται συνήθως μέσω ενός κυματοδηγού, ο οποίος με τη σειρά του έχει για είσοδο ένα μικρό δίπολο. 12

19 Εικόνα 1.12: Τροφοδοσία κεραίας χοάνης Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό των κεραιών τύπου χοάνης είναι η υψηλή κατευθυντικότητα. Ο κυρίως λοβός έχει υψηλή απολαβή και κατεύθυνση στον άξονα που εκτείνεται το στόμιο του, ενώ οι μικρότεροι έχουν χαμηλή απολαβή. Εικόνα 1.13: Διάγραμμα ακτινοβολίας πυραμιδοειδούς χοάνης 1.3 Μικροταινιακές κεραίες Οι κεραίες μικροταινίας όντας μικρές, λεπτές και ελαφριές, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές της κινητής τηλεφωνίας, αεροσκάφη, δορυφόρους, πυραύλους κ.ά. Η κατασκευή τους είναι εύκολη λόγου του ότι μπορεί να γίνει με χρήση της τεχνολογίας τυπωμένων κυκλωμάτων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επίπεδες ή και μη επιφάνειες. Οι κεραίες αυτές αποτελούνται από μία μεταλλική ταινία ακτινοβολίας πάνω σε ένα γειωμένο υπόστρωμα. Η ταινία ακτινοβολίας (patch) μπορεί να έχει διάφορα σχήματα όπως τετράγωνο, ορθογώνιο, κύκλο, έλλειψη κ.ά. Η 13

20 τροφοδοσία μπορεί να γίνει είτε με γραμμή μεταφοράς (σε κάποιο άκρο της κεραίας) είτε με ομοαξονικό καλώδιο (εκτός από το κέντρο της κεραίας). Ανάλογα, λοιπόν, με την επιλογή του σχήματος και του τρόπο λειτουργίας τους έχουμε μεγάλη ευλυγισία ως προς τη συχνότητα συντονισμού, το διάγραμμα ακτινοβολίας και της σύνθετης αντίστασης που παρουσιάζει η κεραία. Κάποια από τα πλεονεκτήματα των μικροταινιών κεραιών είναι: 1. Έχουν μικρό μέγεθος. 2. Έχουν απλή δομή. 3. Τοποθετούνται εύκολα σε επίπεδες και μη επιφάνειες. 4. Έχουν μικρό κόστος γιατί χρησιμοποιούν τυπωμένα κυκλώματα. 5. Είναι μηχανικά ανθεκτικές όταν τοποθετούνται σε σκληρές επιφάνειες. 6. Είναι συμβατές με το φάσμα λειτουργίας MEDRadio. Εικόνα 1.14: Δομές μικροταινιακής κεραίας 14

21 Βέβαια έχουν και μειονεκτήματα όπως: 1. Χαμηλή απόδοση 2. Μικρή ισχύς 3. Χαμηλή πόλωση 4. Μικρό εύρος ζώνης Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για τη μείωση ή εξάλειψη των μειονεκτημάτων τους, έτσι ώστε να πετύχουμε μία πιο επιθυμητή λειτουργικότητα της κεραίας. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας κατά την κατασκευή μικροταινιακών κεραιών είναι η επιλογή του υποστρώματος. Υπάρχουν πολλοί τύποι υποστρωμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η διηλεκτρική σταθερά τους κυμαίνεται συνήθως από 2.2 έως 12. Τα καταλληλότερα υποστρώματα για τις εφαρμογές των μικροταινιακών κεραιών είναι τα παχιά υποστρώματα με μικρή διηλεκτρική σταθερά γιατί προσφέρουν μεγαλύτερη απόδοση και εύρος ζώνης. Αυτά τα υποστρώματα αυξάνουν το μέγεθος της κεραίας, το οποίο είναι απαγορευτικό για τις βιοϊατρικές εφαρμογές. Γι αυτό το λόγο για τις μικροταινιακές κεραίες που χρησιμοποιούνται σε βιοϊατρικές εφαρμογές προτιμώνται λεπτά υποστρώματα με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά. Αυτά τα υποστρώματα επιτρέπουν στην κεραία να έχει μικρό μέγεθος, καθώς και ισχυρή σύνδεση των πεδίων, έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η ανεπιθύμητη ακτινοβολία. Τα υποστρώματα αυτά όμως έχουν και ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, όπως μεγαλύτερες απώλειες, μικρότερη απόδοση αλλά και μικρότερο εύρος ζώνης Ορθογώνια μικροταινιακή κεραία Είναι το πιο διαδεδομένο είδος μικροταινιακής κεραίας λόγω της ευκολίας κατασκευής της αλλά και της σχεδίασης-ανάλυσης της. Το ηλεκτρικό πεδίο εμφανίζει κροσσούς λόγω της ανομοιογένειας που εμφανίζεται στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ του αέρα και του υποστρώματος. Για να τη μελετήσουμε ευκολότερα πρέπει να ορίσουμε μια νέα διηλεκτρική σταθερά (ενεργός διηλεκτρική σταθερά) η οποία αντικαθιστά τη διηλεκτρική σταθερά του αέρα και του υποστρώματος ώστε να έχουμε ένα υλικό γύρω από τη κεραία. Με αυτό το τρόπο το ηλεκτρικό πεδίο γίνεται ομοιογενές χωρίς να παρουσιάζει κροσσούς. Η συχνότητα συντονισμού, αγνοώντας την ύπαρξη των κροσσών, δίνεται από το τύπο: Οπού: c η ταχύτητα του φωτός στο κενό L το μήκος της κεραίας εr η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος f = c 2L ε r Για περισσότερη ακρίβεια πρέπει να συμπεριλάβουμε την επίδραση που έχει η ανομοιογένεια των υλικών στο ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι ο παραπάνω τύπος για τη συχνότητα συντονισμού διαμορφώνεται στον: 15

22 Οπού: εreff είναι η ενεργός διηλεκτρική σταθερά q ο παράγοντας των κροσσών f = q c 2L ε reff Εικόνα 1.15: Ορθογώνια μικροταινιακή κεραία (i) Δομή, (ii) Γραμμή τροφοδοσίας, (iii) Κροσσοί ηλεκτρικών γραμμών, (iv) Ενεργός διηλεκτρική σταθερά Επίπεδη κεραία ανεστραμμένου F - Planar inverted F antenna (PIFA) Αυτή η κεραία μοιάζει με ανεστραμμένο F, γεγονός που εξηγεί το όνομα PIFA. Οι κεραίες αυτές έχουν κερδίσει έδαφος στην αγορά κινητών τηλεφώνων. Συντονίζουν με patch μήκους λ 4, που σημαίνει ότι απαιτούν λίγο χώρο στη συσκευή που ενσωματώνονται. Επίσης παρουσιάζουν καλές τιμές ρυθμού ειδικής απορρόφησης. Το διάγραμμα ακτινοβολίας είναι πανκατευθηντικό δηλαδή όπως του διπόλου. Η συχνότητα συντονισμού εξαρτάται από τη δομή της κεραίας. Έχουμε ως L1 και L2, τις διαστάσεις του patch. W το μήκος του βραχυκυκλώματος που αν ισούται με μηδέν αναφερόμαστε σε ακίδα βραχυκύκλωσης ενώ αν είναι μεγαλύτερο σε επιφάνεια βραχυκύκλωσης. D η απόσταση τροφοδοσίας βραχυκυκλώματος. Το ύψος του 16

23 υποστρώματος και η διηλεκτρική σταθερά του συμβολίζονται με h και εr αντίστοιχα. Η συχνότητα συντονισμού δίνεται από το τύπο: L 1 + L 2 W = λ 4 = c 4f ε r Εικόνα 1.16: Πλάγια όψη κεραίας PIFA Εικόνα 1.17: Διαστάσεις κεραίας PIFA Η αντίσταση της κεραίας ρυθμίζεται από την απόσταση D. Όσο μικρότερο το D τόσο μικραίνει η αντίσταση. 17

24 1.4 Τεχνικές σμίκρυνσης μικροταινιακής κεραίας Εφ όσον η κεραία προορίζεται για να εμφυτευθεί εντός του ανθρώπινου σώματος πρέπει να έχει πολύ μικρό μέγεθος. Χάρη στην εξέλιξη της ασύρματης επικοινωνίας είναι εφικτό να σχεδιάσουμε κεραίες οι οποίες λειτουργούν στα 400MHz και έχουν μέγεθος μερικών mm 2. Όπως αναφέραμε και πιο πάνω, η μικροταινιακή κεραία μπορεί να ικανοποιήσει τις παραπάνω απαιτήσεις γιατί έχει μικρό μέγεθος και ανάλογα με το patch συντονίζει στην επιθυμητή συχνότητα. Για να πετύχουμε όμως τόσο μικρό μέγεθος κεραίας ώστε να τη χρησιμοποιήσουμε σε εμφυτεύσιμες εφαρμογές, θα κάνουμε χρήση τεχνικών σμίκρυνσης κεραίας, δηλαδή διατηρώντας τη συχνότητα λειτουργίας στη επιθυμητή τιμή, θα μικρύνουμε το μέγεθος του patch. Κάποιες από αυτές τις τεχνικές είναι: Υλικά υπερστρώματος με υψηλή διηλεκτρική διαπερατότητα. Αυτά τα υλικά επιλέγονται συχνά σε εμφυτεύσιμες κεραίες γιατί μειώνουν το ενεργό μήκος κύματος και άρα έχουμε χαμηλότερη συχνότητα λειτουργίας. Αύξηση της διαδρομής του ρεύματος στο patch. Αυτό θα το πετύχουμε κάνοντας εγκοπές στο patch και έτσι θα αυξήσουμε τη διαδρομή του ρεύματος. Ισχύει ότι όσο αυξάνεται αυτή η διαδρομή, τόσο μειώνεται η συχνότητα λειτουργίας, άρα μπορούμε να μειώσουμε περαιτέρω το μέγεθος. Βραχυκύκλωση patch-γείωσης με ακίδα. Με αυτή τη τεχνική αυξάνεται εικονικά το μέγεθος της κεραίας και τελικά έχουμε επιπλέον περιθώρια σμίκρυνσης του πραγματικού μεγέθους της κεραίας. 1.5 Ταλαντωτής διαχωρισμένων δαχτυλιδιών - Split ring resonators (SRR) Οι ταλαντωτές διαχωρισμένων δαχτυλιδιών (SRR) ανήκουν στη κατηγορία των μεταϋλικών. Τα μεταϋλικά είναι υλικά τα οποία έχουν κατασκευασθεί από τον άνθρωπο ώστε να παρουσιάζουν κάποια ιδιότητα η οποία δεν μπορεί να εμφανισθεί σε άλλα υλικά της φύσης. Φτιάχνονται από το συνδυασμό διαφόρων σύνθετων υλικών όπως είναι τα μέταλλα και τα πλαστικά. Η δομή τους εμφανίζει επαναλαμβανόμενα μοτίβα, ενώ το μέγεθος τους είναι τάξεις μικρότερο από το μήκος κύματος που επηρεάζουν. Τις καινούργιες ιδιότητες που αποκτούν δεν τις οφείλουν στις ιδιότητες των στοιχείων από τα οποία αποτελούνται αλλά από το σχήμα, τη γεωμετρία, το μέγεθος και τον προσανατολισμό που αποκτούν. Έτσι μπορούν να ενισχύουν, αποδυναμώνουν, μπλοκάρουν, ακόμα και να λυγίζουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα SRR εισάγουν την επιθυμητή τιμή μαγνητικής επιδεκτικότητας σε συχνότητες μέχρι και 200terraHertz (200*10 12 ). Μπορούν να δημιουργήσουν μια επιθυμητή μαγνητική σύζευξη σε ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κάτι το οποίο δεν εμφανίζεται στα υλικά της φύσης. Ένα SRR αποτελείται από ένα ζεύγος κλειστών βρόγχων με σχισμές σε αντίθετα άκρα. Οι βρόγχοι είναι κατασκευασμένοι από μη μαγνητικό μέταλλο όπως ο χαλκός και έχουν ένα μικρό κενό μεταξύ τους. Οι βρόγχοι είναι ομόκεντρα δαχτυλίδια ή τετράγωνα. Αν μαγνητική ροή διαπεράσει τους μεταλλικούς βρόγχους θα προκαλέσει σε αυτούς περιστρεφόμενα ρεύματα, τα οποία παράγουν τη δική τους ροή για να ενισχύσουν ή να αντισταθούν στο αρχικό πεδίο. Στις σχισμές των βρόγχων εμφανίζεται υψηλή χωρητικότητα η 18

25 οποία με τη σειρά της μειώνει τη συχνότητα συντονισμού, και έτσι πετυχαίνουμε χαμηλότερες απώλειες εκπομπής και υψηλότερο Q. Εικόνα 1.18: Δομή ενός SRR και το ισοδύναμο κύκλωμα του. Το SRR παρουσιάζει χωρητικότητα που οφείλεται στις σχισμές (Co/2) και στο κενό μεταξύ των δαχτυλιδιών (Co/2). Η χωρητικότητα που οφείλεται στις σχισμές αποτρέπει το ρεύμα να ρέει κυκλικά στο δαχτυλίδι, αλλά η χωρητικότητα λόγω του κενού επιτρέπει τη ροή ρεύματος στη δομή. Επίσης το SRR παρουσιάζει επαγωγή λόγω των αγώγιμων δαχτυλιδιών (Ls). Χρησιμοποιώντας τη χωρητικότητα και την επαγωγή μπορούμε να αναπαραστήσουμε το SRR ως ένα κύκλωμα συντονισμού πηνίου-πυκνωτή εν παραλλήλω (Εικόνα 1.18). Η συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος δίνεται από τον τύπο: f = 1, όπου Ls και Cs η συνολική 2π L s C s επαγωγή και χωρητικότητα του SRR αντίστοιχα. Αλλάζοντας τις διαστάσεις του SRR επηρεάζουμε τα Ls, Cs και μπορούμε να το συντονίσουμε στη συχνότητα ενδιαφέροντος. Ας δούμε τους δυνατούς τρόπους που μπορούμε να αλλάξουμε τα Ls,Cs και την επίδραση τους. i. Πάχος σχισμής: Με αύξηση του πάχους σχισμής η χωρητικότητα μειώνεται με αποτέλεσμα να έχουμε αύξηση της συχνότητας συντονισμού. ii. Κενό δαχτυλιδιών: Αύξηση του κενού μειώνει την χωρητικότητα μεταξύ των δαχτυλιδιών, άρα αυξάνεται η συχνότητα συντονισμού. iii. Πάχος δαχτυλιδιών: Παχιά δαχτυλίδια παρουσιάζουν μικρότερη αμοιβαία επαγωγή και χωρητικότητα, και κατ επέκταση έχουν υψηλότερη συχνότητα συντονισμού. iv. Προσθήκη εξωτερικού πυκνωτή: Μπορούμε να προσθέσουμε πυκνωτή παράλληλα στο εξωτερικό δαχτυλίδι ώστε να αυξήσουμε τη χωρητικότητα, γεγονός που θα μειώσει τη συχνότητα συντονισμού. v. Αριθμός σχισμών: Η προσθήκη νέας σχισμής στο SRR αντιστοιχεί σε προσθήκη πυκνωτή εν σειρά στο κύκλωμα. Άρα έχουμε μείωση της ολικής χωρητικότητας που συνεπάγεται αύξηση συχνότητας συντονισμού. Πέρα από τη βασική δομή των SRR που περιγράψαμε παραπάνω έχουν σχεδιαθεί και μελετηθεί διαφορετικές δομές προκειμένου να επιτευχθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Κάποιες από αυτές τις δομές είναι: Συμπληρωματικός ταλαντωτής διαχωρισμένων δαχτυλιδιών: Αυτή η δομή δημιουργείται με την αφαίρεση της βασικής δομής ενός SRR από μία επίπεδη μεταλλική επιφάνεια. 19

26 Ταλαντωτής σπείρας: Σε αυτή την κατηγορία εντάσσονται παραπάνω από μια δομές. Μπορεί να έχουμε δομή μιας απλής σπείρας, δομή απλής σπείρας σε πολλαπλά επίπεδα, αλλά μπορεί να έχουμε και δομή δύο σπειρών σε πολλαπλά επίπεδα. Ταλαντωτής σχήματος S: Η δομή αυτού του ταλαντωτή μοιάζει με το αγγλικό γράμμα S. Ταλαντωτής σχήματος Ω: Η δομή αυτού του ταλαντωτή μοιάζει με το ελληνικό γράμμα Ω. Εικόνα 1.19: (i) Συμπληρωματικό SRR, (ii) Τετράγωνη σπείρα 8 στροφών, (iii) Διεπίπεδη σπείρα 4 στροφών, (iv) 2 διεπίπεδες σπείρες 2 στροφών, (v) Ταλαντωτής σχήματος S, (vi) Ταλαντωτής σχήματος Ω. 1.6 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ανθρώπινου σώματος Το μέσο ανθρώπινο σώμα αποτελείται από τεράστιο αριθμό κυττάρων, της τάξεως των 10 13, τα οποία συνδυάζονται ανά ομάδες και δημιουργούν ιστούς, οι οποίοι με τη σειρά τους σχηματίζουν τα όργανα, το δέρμα, τους μύες. Τα κύτταρα για να επιτελέσουν τις λειτουργίες που χρειάζεται ο οργανισμός, επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ιόντων και μορίων τα οποία περνάνε μέσα από τη μεμβράνη τους. Όμως, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να επηρεάσει αυτή την επικοινωνία. Οι ιστοί περιέχουν ελεύθερα φορτία, συνεπώς λειτουργούν ως αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. Εφ όσον λοιπόν μπορούν να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, έχουν και μια ειδική αγωγιμότητα, η οποία εξαρτάται από τη φύση του ιστού και τη συχνότητα του ρεύματος. Έχουν γίνει μετρήσεις ως προς την ειδική αγωγιμότητα, τη διηλεκτρική σταθερά και τη διηλεκτρική απώλεια σε διάφορους ιστούς και όργανα του ανθρώπινου σώματος. 20

27 Εικόνα 1.20: Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ανθρώπινων ιστών στα 400MHz Εικόνα 1.21: Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ανθρώπινων ιστών στα 2.45GHz 21

28 Όπως παρατηρούμε οι μετρήσεις που αναφέραμε προηγουμένως επηρεάζονται από τη συχνότητα. Εμείς θα επικεντρωθούμε στις συχνότητες μπάντας MICS που είναι κοντά στα 400MHz. Οι πιο σημαντικοί ιστοί είναι το δέρμα, το λίπος και οι μύες, καθώς σε κάθε εφαρμογή εμφυτεύσιμης κεραίας αυτοί οι ιστοί θα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν. Ας δούμε τώρα την πυκνότητα των παραπάνω ιστών η οποία δεν επηρεάζεται από τη συχνότητα αλλά μόνο από το είδος του ιστού. Ιστός Ελάχιστο[Kg/m 3 ] Μέγιστο[Kg/m 3 ] Μέση τιμή[kg/m 3 ] Δέρμα Λίπος Μύες Το μέγιστο και το ελάχιστο αναφέρονται στις πιο ακραίες μετρήσεις που έχουν καταγραφεί, ενώ η μέση τιμή είναι η πιο συνηθισμένη τιμή που εμφανίζεται στο μέσο άνθρωπο. Οι τιμές που θα χρησιμοποιήσουμε στη σχεδίαση θα είναι της τελευταίας στήλης αλλά θα πρέπει να γίνεται μέτρηση των χαρακτηριστικών του ασθενούς πριν από κάθε υλοποίηση κεραίας για πιο ακριβή και σωστά αποτελέσματα. Συγκρίνοντας τις τιμές των 400MHz και των 2.45GHz παρατηρούμε ότι σε μεγαλύτερες συχνότητες το σώμα παρουσιάζει υψηλότερη αγωγιμότητα, δηλαδή μεγαλύτερο ποσοστό ακτινοβολίας απορροφάται από τους ιστούς του σώματος. Γι αυτό έχουν οριστεί πρωτόκολλα ασφαλείας που θα δούμε στη συνέχεια. 1.7 Κανόνες ασφαλείας Η ηλεκτρομαγνητική ισχύς απορροφάται από το ανθρώπινο σώμα. Προκειμένου λοιπόν να αποφευχθούν ανεπιθύμητες συνέπειες στον οργανισμό, έχουν οριστεί από διεθνείς οργανισμούς πρότυπα ασφαλείας που οριοθετούν την επιτρεπόμενη ηλεκτρομαγνητική ισχύ την οποία δέχονται οι ιστοί του ανθρώπινου σώματος έτσι ώστε να μην υπάρχει κανένας κίνδυνος Ρυθμός ειδικής απορρόφησης-specific Absorption Rate (SAR) Ο ρυθμός ειδικής απορρόφησης εκφράζει την απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα χρόνου και μάζας για διάφορους ιστούς του σώματος, και θεωρείται το καταλληλότερο μέτρο ασφαλείας για τον έλεγχο συμμόρφωσης μιας διάταξης με τα πρότυπα που έχουν καθοριστεί. Μαθηματικά, ο SAR υπολογίζεται ως εξής: 22

29 SAR = 1 V SAMPLE σ(r) E(r) 2 dr ρ(r) Όπου: σ, η ηλεκτρική αγωγιμότητα (S/m) Ε, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (V/m) ρ, η πυκνότητα του ιστού (kg/m 3 ) V, ο όγκος του δείγματος (m 3 ) Το SAR μετριέται σε W/Kg. Τα πιο πρόσφατα πρότυπα που έχουν θεσπιστεί είναι τα ΙΕΕΕ C και ΙΕΕΕ C Το πρότυπο IEEE C θεσπίστηκε το 1999 και ορίζει σαν όριο το SAR<1.6 W/Kg σε ένα γραμμάριο ιστού. Το πρότυπο IEEE C θεσπίστηκε το 2005 και ορίζει σαν όριο το SAR<2 W/Kg σε 10 γραμμάρια ιστού. Επίσης όσον αφορά την μέγιστη ακτινοβολούμενη ισχύ, το όριο για τη ζώνη MEDRadio ορίστηκε από την FCC στα 25μW. Ο ρυθμός ειδικής απορρόφησης εξαρτάται από: 1. Τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας (συχνότητα, πόλωση). 2. Τα χαρακτηριστικά του βιολογικού αντικειμένου, τη γεωμετρία του και την εσωτερική του δομή. 3. Την απόσταση της πηγής εκπομπής της ακτινοβολίας και του βιολογικού αντικειμένου. 4. Τις ιδιότητες του περιβάλλον χώρου Υπηρεσία ραδιοεπικοινωνίας ιατρικών συσκευών - Medical Device Radiocommunications Service-MedRadio Σύμφωνα με τον 47ο κώδικα των ομοσπονδιακών κανονισμών (Code of Federal Regulations), άρθρο 95, η υπηρεσία ραδιοεπικοινωνίας ιατρικών συσκευών (MedRadio) βρίσκεται στην περιοχή , , , και MHz. Το φάσμα MedRadio χρησιμοποιείται για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς σε εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές καθώς και σε συσκευές που φοριούνται σε ένα σώμα. Για παράδειγμα, οι συσκευές MedRadio περιλαμβάνουν εμφυτεύσιμους καρδιακούς βηματοδότες και απινιδωτές καθώς και νευρομυϊκούς διεγέρτες που βοηθούν στην αποκατάσταση της αίσθησης της κινητικότητας και άλλων λειτουργιών στα άκρα και τα όργανα. Επιπλέον, τα ιατρικά δίκτυα στην επιφάνεια του σώματος (MBAN), τα οποία είναι χαμηλής ισχύος δίκτυα αισθητήρων που φοριούνται στο σώμα και ελέγχονται από μια κεντρική συσκευή που βρίσκεται είτε στο σώμα είτε σε κοντινή απόσταση από αυτό, λειτουργούν στη ζώνη MHz. H υπηρεσία ραδιοεπικοινωνιών ιατρικών συσκευών (MedRadio) δημιουργήθηκε το 1999, όταν η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC) ίδρυσε την υπηρεσία επικοινωνίας ιατρικών εμφυτευμάτων (Medical Implant Communication Service - MICS). Εκείνη την εποχή, η FCC 23

30 παραχώρησε φάσμα τριών megahertz, τα MHz, για εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές. Το 2009, η FCC όρισε την MedRadio μπάντα στην περιοχή των MHz. Η δημιουργία της υπηρεσίας MedRadio ενσωμάτωσε στο υπάρχον φάσμα MICS των MHz το φάσμα των MHz και MHz φτάνοντας τελικά στα πέντε megahertz φάσματος για εμφυτεύσιμες συσκευές καθώς και συσκευές που φοριούνται στο πραγματικό σώμα. 1.8 Κύκλωμα ανόρθωσης Οι κεραίες, όπως προαναφέραμε, λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα. Αντιθέτως η συσκευή που θα εμφυτευθεί για να εκτελεί τις ιατρικές λειτουργίες που χρειάζεται ο ασθενής χρειάζεται συνεχές ρεύμα. Άρα πρέπει να μετατρέψουμε το εναλλασσόμενο ρεύμα που λαμβάνει η εσωτερική κεραία σε συνεχές, με άλλα λόγια να το ανορθώσουμε. Το βασικότερο ηλεκτρικό στοιχείο για τη μετατροπή αυτή είναι η δίοδος. Η δίοδος είναι ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα δύο τερματικών που άγει ρεύμα κυρίως προς μία κατεύθυνση. Από τη μια κατεύθυνση έχει θεωρητικά άπειρη αντίσταση, ενώ από την άλλη έχει μηδενική. Εικόνα 1.22: Δίοδος. Όταν το δυναμικό της ανόδου είναι υψηλότερο από το δυναμικό της καθόδου λέμε ότι η δίοδος είναι ορθά πολωμένη και άγει το ρεύμα. Ενώ όταν το δυναμικό της καθόδου είναι υψηλότερο από το δυναμικό της ανόδου τότε λέμε πως η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και δεν άγει. Εικόνα 1.23: Διάγραμμα ρεύματος-τάσης (i) ιδανικής διόδου, (ii) διόδου. Στην ορθή πόλωση το ρεύμα που εισάγουμε στην άνοδο περνάει στην κάθοδο, ενώ στην ανάστροφη πόλωση το ρεύμα δεν περνάει. Στις θετικές ημιπεριόδους μιας εναλλασσόμενης πηγής τάσης η δίοδος άγει ενώ στις αρνητικές δεν άγει. Για να ξεκινήσει να άγει η πραγματική 24

31 δίοδος, πρέπει το δυναμικό της ανόδου να είναι πάνω από μια τιμή (Vk) από το δυναμικό καθόδου Ανόρθωση με μία δίοδο Εικόνα 1.24: (i)κύκλωμα ανόρθωσης μιας διόδου, (ii) Τάση πηγής, (iii) Τάση φορτίου. Παρατηρούμε ότι ενώ η αρχική μας τάση είναι εναλλασσόμενη, η τάση που φτάνει στο φορτίο είναι συνεχής. Για να βελτιώσουμε την ανόρθωση μπορούμε να βάλουμε έναν πυκνωτή παράλληλα στο φορτίο ο οποίος θα φορτίζεται κατά τη θετική ημιπερίοδο, ενώ κατά την αρνητική ημιπερίοδο θα αποφορτίζεται προσφέροντας ενέργεια στο φορτίο. Ο πυκνωτής αυτός ονομάζεται πυκνωτής εξομάλυνσης. Εικόνα 1.25: (i) Κύκλωμα ανόρθωσης μιας διόδου και πυκνωτή εξομάλυνσης (ii) Τάση φορτίου (μαύρο= χωρίς πυκνωτή εξομάλυνσης, κόκκινο= με πυκνωτή εξομάλυνσης) 25

32 Με την εφαρμογή του πυκνωτή εξομάλυνσης η τάση στο φορτίο μας είναι σχεδόν σταθερή. Με την ανόρθωση μιας διόδου παρατηρούμε ότι η μισή ενέργεια που παρέχει η πηγή χάνεται. Με άλλα λόγια, η μισή ενέργεια που λαμβάνει η κεραία λήψης χάνεται κατά την ανόρθωση. Αυτό δεν είναι αποδεκτό και γι αυτό προτείνεται η χρήση ανόρθωσης με δύο διόδους Ανόρθωση με δύο διόδους Εικόνα 1.26: (i)κύκλωμα ανόρθωσης με δύο διόδους, (ii) Τάση πηγής, (iii) Τάση φορτίου. Με τις δύο διόδους πετυχαίνουμε ανόρθωση και στις αρνητικές ημιπεριόδους της πηγής. Άρα η έξοδος μας θα είναι πλήρως ανορθωμένη και εκμεταλλευόμαστε όλη την ενέργεια που παρέχει η πηγή. Όπως και στη περίπτωση με τη μία δίοδο, θα χρησιμοποιήσουμε πυκνωτή εξομάλυνσης ώστε να σταθεροποιήσουμε τη τάση γύρω από μια τιμή. Εικόνα 1.27: Τάση φορτίου (μαύρο= χωρίς πυκνωτή εξομάλυνσης, κόκκινο= με πυκνωτή εξομάλυνσης) Σε αυτήν την εκδοχή έχουμε πλήρη εκμετάλλευση του σήματος εισόδου. Επίσης λόγω πιο συχνής εμφάνισης μεγίστων ο πυκνωτής αποφορτίζεται λιγότερο, με αποτέλεσμα να χρειαζόμαστε μικρότερης χωρητικότητας πυκνωτή και ο κυματισμός να είναι ασθενέστερος. Η ανόρθωση μας θα γίνει με το σύστημα των δύο διόδων καθώς έχει ικανοποιητικά αποτελέσματα. 26

33 Κεφάλαιο 2 Λογισμικό Προσομοίωσης Κεραιών και Υψίσυχνων Κυκλωμάτων 2.1 HFSS (Προσομοιωτής δομών υψηλών συχνοτήτων-high Frequency Structure Simulator) Το HFSS είναι ένα λογισμικό τρισδιάστατης προσομοίωσης για σχεδιασμό και προσομοίωση ηλεκτρονικών δομών υψηλών συχνοτήτων, όπως κεραίες, φίλτρα, τυπωμένα κυκλώματα κ.ά. Χρησιμοποιείται συχνά από μηχανικούς για τη σχεδίαση ηλεκτρονικών υψηλής ταχύτητας υψηλής συχνότητας τα οποία χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες, στα ραντάρ, στους δορυφόρους κ.ά. Με το HFSS μπορούμε να πραγματοποιήσουμε τον υπολογισμό: i) Ηλεκτρομαγνητικών πεδίων σε μια κλειστή δομή ii) Κοντινών και μακρινών πεδίων σε μία ανοιχτή δομή iii) Χαρακτηριστικών αντιστάσεων στις εισόδους και τις εξόδους μίας δομής iv) Σταθερών διάδοσης v) Γενικευμένων παραμέτρων σκέδασης (S11 Παραμέτρων) vi) Ρυθμών διάδοσης μιας δομής vii) Συχνοτήτων συντονισμού Για το σχεδιασμό της κεραίας χρησιμοποιούμε το περιβάλλον σχεδίασης CAD που διαθέτει το HFSS. Σε αυτό ορίζουμε τη γεωμετρία της κεραίας μας, το χώρο στον οποίο θα εκπέμπει, τη δομή των θυρών εισόδου και εξόδου, καθώς και από τι υλικά θα αποτελούνται όλα τα παραπάνω. Στη συνέχεια ορίζουμε στο analysis τις συχνότητα ενδιαφέροντος και το HFSS τρέχει τη προσομοίωση ώστε να μας δώσει τα αποτελέσματα που χρειαζόμαστε. 27

34 Εικόνα 2.1: Διεπαφή χρήστη του HFSS. Στη εικόνα 2.1 βλέπουμε στην αριστερή στήλη χρήσιμες πληροφορίες για το σύστημα μας, όπως τροφοδοσίες, συχνότητες προσομοίωσης και αποτελέσματα. Στη μεσαία στήλη βρίσκονται όλες οι πληροφορίες για τη γεωμετρία του συστήματος, όπως η γεωμετρία κεραίας, το στερεό εκπομπής και η δομή τροφοδοσίας. Τέλος στο δεξί μέρος βρίσκεται η εικονική απεικόνιση του συστήματος μας Υλικά σχεδίασης Σε αυτή την υποενότητα θα αναφέρουμε τα υλικά που θα χρησιμοποιήσουμε στο HFSS, καθώς επίσης και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος θα αναφέρουμε που χρησιμοποιείται το καθένα στη προσομοίωση μας. Τα υλικά αυτά φαίνονται στο παρακάτω πίνακα. 28

35 Όπου: εr: διηλεκτρική σταθερά, η αναλογία ηλεκτρικής διαπερατότητας ενός μέσου ως προς τη ηλεκτρική διαπερατότητα του κενού (ε0). Είναι αδιάστατο μέγεθος ενώ το ε0 έχει μονάδες F/m. μr: σχετική μαγνητική διαπερατότητα, η αναλογία μαγνητικής διαπερατότητας ενός μέσου ως προς τη μαγνητική διαπερατότητα του κενού (μ0). Είναι αδιάστατο μέγεθος ενώ το μ0 έχει μονάδες H/m. Bulk conductivity: αγωγιμότητα όγκου, είναι η ικανότητα του υλικού να άγει την ροή Υλικό ε r μ r Bulk conductivity (Siemens/m) tanδ Mass density (Kg/m 3 ) Air Copper * Rogers RO Rogers duroid5880 RT/ Skin Fat Muscle Pec Teflon ηλεκτρικού ρεύματος. Συνήθως συμβολίζεται με σ και μετριέται σε Siemens/m. 29

36 tanδ: συντελεστής διάχυσης, είναι ένα μέτρο της απώλειας ενέργειας ενός συστήματος ταλάντωσης. Αδιάστατο μέγεθος. Mass density: πυκνότητα υλικού, ή αλλιώς μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου. Συμβολίζεται με ρ (ή D) και έχει μονάδες Kg/m 3. Η εφαρμογή των υλικών παρατίθενται παρακάτω. Air: ο αέρας περιλαμβάνει το χώρο γύρω από την εξωτερική κεραία και τα υλικά προσομοίωσης του σώματος. Skin: Το δέρμα αποτελεί την πρώτη στρώση του σώματος. Περικλείεται από αέρα ενώ περικλείει μέσα του το λίπος. Πάνω σε αυτό εφάπτεται η εξωτερική κεραία. Fat: Το λίπος αποτελεί τη δεύτερη στρώση του σώματος. Βρίσκεται εσωτερικά του δέρματος και περικλείει τον μυ. Muscle: Ο μυς αποτελεί τη τρίτη και τελευταία στρώση του σώματος. Εντός αυτού βρίσκεται η εμφυτεύσιμη κεραία. Rogers RT/duroid 5880: Το υλικό αυτό είναι το υπόστρωμα των κεραιών μας. Πέρα από τις επιθυμητές τιμές παραμέτρων έχει και το πλεονέκτημα ότι μπορεί να βρεθεί στο εμπόριο από την εταιρία Rogers Corporation. Rogers RO 3210: Το υλικό αυτό θα αποτελεί το υπέρστρωμα των κεραιών. Όπως και το υπόστρωμα, έχει επιθυμητές τιμές και είναι εμπορεύσιμο από την ίδια εταιρία. Copper: Θα χρησιμοποιήσουμε ένα λεπτό φύλλο χαλκού πάνω στο οποίο θα σχηματίσουμε το επιθυμητό σχήμα της κεραίας με τη χρήση μηχανήματος Computer numerical control (CNC). Το φύλλο θα τοποθετηθεί ανάμεσα στο υπόστρωμα και το υπέρστρωμα και θα αποτελεί το patch μας. Επίσης θα χρησιμοποιηθεί άλλο ένα φύλλο χαλκού για να φτιάξουμε τον ταλαντωτή διαχωρισμένων δαχτυλιδιών. Pec: Είναι ένα θεωρητικό υλικό που χαρακτηρίζεται με τέλεια ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το χρησιμοποιούμε μόνο στο ομοαξονικό καλώδιο το οποίο θα είναι η τροφοδοσία της κεραίας. Teflon: Χρησιμοποιείται για τη μόνωση μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού αγωγού στο ομοαξονικό καλώδιο Τροφοδοσιές Ομοαξονικό καλώδιο Το ομοαξονικό είναι ένα είδος ηλεκτρικού καλωδίου που χρησιμοποιείται συχνά για την τροφοδοσία κεραιών. Αποτελείται από έναν εσωτερικό αγωγό, ο οποίος περιβάλλεται από ένα στρώμα μονωτικού υλικού, και τέλος όλο αυτό περιβάλλεται από ένα σωληνωτό αγώγιμο πλέγμα. Για ασφάλεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί άλλη μια στρώση μονωτικού υλικού. Ο λόγος 30

37 που ονομάστηκε ομοαξονικό είναι επειδή οι αγωγοί και οι μονωτές που το απαρτίζουν έχουν τον ίδιο γεωμετρικό άξονα. Εφευρέθηκε από τον Oliver Heaviside το Εικόνα 2.2: Δομή ομοαξονικού καλωδίου Το ομοαξονικό καλώδιο μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικά σήματα μεγάλου εύρους συχνοτήτων, από khz εώς και GHz. Επίσης μπορεί να παρουσιάσει διαφορετικές τιμές χαρακτηριστικής αντίστασης ανάλογως τα χαρακτηριστικά του. Η τιμή αυτή ρυθμίζεται για να λειτουργεί αποτελεσματικά σαν γραμμή μεταφοράς. Οι πιο διαδεδομένες τιμές του εμποριού είναι τα 50Ω και 75Ω. Η χαρακτηριστική αντίσταση υπολογίζεται από το τύπο: Όπου: Ζ 0 = 138log 10( D d ) ε r D = η μεγάλη διάμετρος του διηλεκτρικού d = η διάμετρος του εσωτερικού αγωγού εr = η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού Εικόνα 2.3: Παράμετροι ομοαξονικού καλωδίου Παρακάτω παρουσιάζουμε τη δομή ενός ομοαξονικού καλωδίου στο HFSS. Η τιμή της χαρακτηριστικής αντίστασης του είναι στα 50Ω. Τα χαρακτηριστικά του είναι: Άκτινα εσωτερικού αγωγού: 0.3mm Άκτινα διηλεκτρικού: 1mm Πάχος εξωτερικού αγωγού: 0.1mm Καπάκι σύνδεσης: ακτίνα 1.1mm και ύψος 0.5mm 31

38 Εικόνα 2.4: Διαδικασία σχεδίασης ομοαξονικού καλωδίου (i) Εσωτερικός αγωγός, (ii) Διηλεκτρικό, (iii) Εξωτερικός αγωγός, (iv) Καπάκι Η σειρά σχεδιασμού της τροφοδόσιας είναι: i) Ο εσωτερικός αγωγός ii) Το διηλεκτρικό iii) Ο εξωτερικός αγωγός iv) Το καπάκι Για τον ορισμό της τροφοδοσίας ακολουθούμε τα εξής βήματα: i) Selection mode -> Faces ii) Επιλέγουμε την επιφάνεια του διηλεκτρικού που ακουμπάει στο καπάκι iii) Δεξί κλικ->assign Excitation->wave port iv) Στο παράθυρο που μας βγάζει πατάμε Mode alignment and polarity=set mode polarity using integration lines και στη συνέχεια next v) Στο τελευταίο παράθυρο Port Renormalization=Do Not Normalise και Finish. Τροφοδοσία σε επιφάνειες 32

39 Η τροφοδοσία αυτή χρησιμοποιείται όταν δεν έχουμε ορίσει κάποιο επίπεδο γείωσης. Το δίπολο και η κεραία παπιγιόν που είδαμε στην ενότητα τροφοδοτούνται με αυτόν τον τρόπο. Μια τέτοια τροφοδοσία μπορεί να αντιπροσωπεύει τροφοδοσία δίδυμου μετάλλου ή υπομινιατούρα τύπου Α (SMA). Στο HFSS ο σχεδιασμός μιας τέτοιας τροφοδοσίας είναι απλός και εύκολος. Μεταξύ δύο σημείων της κεραίας ορίζουμε μια επίπεδη επιφάνεια και στη συνέχεια: 1. Επιλέγουμε την επιφάνεια 2. Δεξί κλικ->assign Excitation->lumped port 3. Στο πρώτο παράθυρο ορίζουμε την αντίσταση της θύρας. Το αφήνουμε στα 50Ω και πατάμε next. 4. Στο δεύτερο παράθυρο ορίζουμε τη γραμμή ολοκλήρωσης η οποία θα είναι από τη μία πλεύρα του μετάλλου στην άλλη. 5. Στο τελευταίο παράθυρο κράταμε τη επιλογή Do Not Renormalize και Finish. Εικόνα 2.5: Τροφοδοσία lumped port Σχεδίαση του περιβάλλοντος εκπομπής Το ανθρώπινο σώμα, όπως προαναφέραμε, αποτελείται από πολλούς ιστούς. Μεταξύ μιας κεραίας εκτός σώματος και μιας εμφυτεύσιμης μπορεί να παρεμβάλλονται αρκετές ομάδες διαφορετικών ιστών. Κάποιοι από τους ιστούς που συναντώνται σχεδόν πάντα είναι το δέρμα, το λίπος και οι μύες. Η δομή του σώματος που θα σχεδιάσουμε θα είναι ένα στερεό που θα περιέχει τους τρεις προαναφερθέντες ιστούς. 33

40 Θα ξεκινήσουμε με ένα κουτί διαστάσεων 50mm X 50mm X 25mm στους άξονες X,Y,Z αντίστοιχα. Αυτό θα αποτελεί το δέρμα. Στη συνέχεια φτιάχνοντας ένα νέο κουτί με διαστάσεις 46mm X 46mm X 21mm ορίζουμε το λίπος. Η κάθε πλευρά του λίπους απέχει 2mm από την αντίστοιχη του δέρματος. Τέλος, το κουτί του μυ θα έχει διαστάσεις 42mm X 42mm X 17mm. Όπως και πριν, το κουτί του μυ απέχει 2mm από τις πλευρές του λίπους. Η εμφυτεύσιμη κεραία μας θα βρίσκεται 5mm εντός του σώματος. Αναλυτικότερα, η εξωτερική κεραία θα εφάπτεται επί του δέρματος, και ύστερα από τα 2mm δέρματος, 2mm λίπους και 1mm μυ θα βρίσκεται η εμφυτεύσιμη κεραία. Το τελικό μας στερεό για το ανθρώπινο σώμα φαίνεται στην εικόνα 2.6. Εικόνα 2.6: Στερεό προσομοίωσης ανθρώπινου σώματος Στο περιβάλλον σχεδίασης, πέραν του σώματος, υπάρχει και ο αέρας που βρίσκεται εκτός του σωμάτος. Η σχεδίαση του γίνεται εύκολα μέσω της εντολής Create Open Region. Create Open Region Σε αυτή την εντολή εισάγουμε την κατώτατη συχνότητα λειτουργίας και μέσω αυτής υπολογίζεται το απαραίτητο μέγεθος των περιοχών για την απορρόφηση της μη χρήσιμης ακτινοβολίας. Να τονίσουμε ότι η συγκεκριμένη εντολή είναι δυναμική, δηλαδή αν προστεθούν νέα αντικείμενα στο σχεδιασμό, οι διαστάσεις του χώρου θα ενημερωθούν αυτόματα για να 34

41 διατηρηθεί η επιθυμητή απόσταση μεταξύ των αντικειμένων σχεδιασμού και των ορίων. Στην τιμή operating frequency εισάγουμε την τιμή της χαμηλότερης συχνότητας λειτουργίας, σε περίπτωση multiband, έτσι ώστε να διασφαλίσουμε ότι οι υπολογισμοί θα γίνουν με τη μέγιστη τιμή μήκους κύματος. Εικόνα 2.7: Εντολή Create Open Region Τελικά ο περιβάλλων χώρος της προσομοίωσης διαμορφώνεται όπως στην εικόνα

42 Εικόνα 2.8: Περιβάλλων χώρος προσομοιώσεων Εξαγωγή snp παραμέτρων Τα αρχεία αυτά περιέχουν τις πληροφορίες των S παραμέτρων του συστήματος μας για τις συχνότητες ανάλυσης. Προφανώς, θα πρέπει πρώτα να έχουμε ολοκληρώσει την ανάλυση μας ώστε να εξάγουμε τις S-παραμέτρους. Για την εξαγωγή αυτών, δεξί κλικ στα results->solution data και στο παράθυρο που μας βγάζει επιλέγουμε Display all frequencies και Export Matrix Data. Το αρχείο που θα δημιουργηθεί θα έχει κατάληξη ανάλογη των θυρών του συστήματος. Για παράδειγμα, από ένα σύστημα δύο θυρών θα εξαχθεί ένα s2p αρχείο. Αυτό το αρχείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο ADS. 2.2 ADS (Σύστημα ανεπτυγμένης σχεδίασης Advanced Design System) Το ADS είναι ένα πολύ γνωστό λογισμικό αυτοματισμού και ηλεκτρονικού σχεδιασμού για εφαρμογές RF, μικροκυμάτων, ψηφιακών υψηλής ταχύτητας και ηλεκτρονικών ισχύος. Με μια ισχυρή και εύχρηστη διεπαφή, η ADS πρωτοπορεί στις πιο καινοτόμες και εμπορικά επιτυχημένες τεχνολογίες, όπως οι X-παράμετροι και οι τρισδιάστατοι προσομοιωτές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται από κορυφαίες εταιρείες στην ασύρματη επικοινωνία και δικτύωση, την αυτοκίνηση και βιομηχανίες ενέργειας. Ένας άλλος λόγος που χρησιμοποιούμε το ADS είναι επειδή μας δίνει τη δυνατότητα να εισάγουμε τα snp αρχεία (όπου N είναι ο αριθμός των θυρών) από το HFSS και να τα επεξεργαστούμε. Στη παρακάτω 36

43 εικόνα βλέπουμε τη διεπαφή χρήστη και μια συνδεσμολογία για το πως εισάγουμε ένα s2p αρχείο. Εικόνα 2.9: Διεπαφή χρήστη ADS. Αριστερά βλέπουμε την επιλεγμένη παλέτα και τα στοιχεία που μπορούμε να εισάγουμε στο κύκλωμα από αυτή. Στο κεντρικό παράθυρο βλέπουμε τη συνδεσμολογία μας. Με το γρανάζι ορίζουμε το είδος της προσομοίωσης καθώς και τις συχνότητες ενδιαφέροντος Δημιουργία στοιχείων από εξωτερικές βιβλιοθήκες Εισαγωγή διόδου Το ADS μας δίνει τη δυνατότητα να εισάγουμε ένα φύλλο δεδομένων ενός ηλεκτρικού στοιχείου και να το δημιουργήσει ως στοιχείο για το σχεδιασμό. Έτσι μπορούμε να εργαστούμε με ηλεκτρικά στοιχεία που μπορούν να βρεθούν στο εμπόριο. Για την ανόρθωση μας θα χρησιμοποιήσουμε την HSMS2852 Schottky δίοδο. Κατεβάζοντας το PSPICE αρχείο της μπορούμε να την εισάγουμε στο ADS ακολουθώντας τα εξής βήματα: 1. Ανοίγουμε ένα παράθυρο σχεδίασης 2. File -> Import 3. File type=netlist File και επιλέγουμε τη θέση που σώσαμε το παραπάνω αρχείο 37

44 Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούμε στη βιβλιοθήκη μας την παραπάνω δίοδο και μπορούμε να την εισάγουμε σε όσα παράθυρα σχεδίασης θέλουμε χωρίς να ξαναχρειαστεί η παραπάνω διαδικασία. Εισαγωγή SNP_diff στοιχείου Για τη χρήση των snp αρχείων θα χρειαστούμε ένα στοιχείο του ADS που δεν βρίσκεται στις διαθέσιμες παλέτες και είναι παρόμοιο με το SNP της παλέτας Data Items. Το αρχείο που θα είσαγουμε είναι το SNP_Diff. Η διαφορά με το ήδη υπάρχον SNP στοιχείο είναι ότι το SNP έχει κοινή γείωση για τις N θύρες, ενώ το SNP_DIFF έχει ξεχωριστό άκρο για τη γείωση κάθε θύρας (Εικόνα 2.10). Εικόνα 2.10: SNP και SNP_Diff στοιχεία. Η διαδικασία για την εισαγωγή του SΝP_DIFF είναι: Ανοίγουμε το workshop/library στο οποίο δουλεύουμε Tools->Command Line Στο Command γράφουμε generate_snp_diff_component(#, όνομα βιβλιοθήκης ) όπου # είναι ο αριθμός των θυρών που θέλουμε. Παραδείγματος χάρη, για σύστημα δύο θυρών η εντολή θα είναι generate_snp_diff_component(2, test_lib ) Ρύθμιση τιμής πυκνωτή Κατά το σχεδιαστικό κομμάτι θα χρησιμοποιήσουμε πυκνωτές για τη ρύθμιση της συχνότητας συντονισμού. Η διαδικασία για την εύρεση της κατάλληλης τιμής του θα γίνει μέσω του ADS. Η διαδικασία χωρίζεται σε τρία στάδια. 38

45 Αρχικά στο HFSS, αντιμετώπιζουμε τον πυκνωτή σαν μία τροφοδοσία. Πιο συγκεκριμένα ορίζουμε την επιφάνεια του πυκνωτή ως lumped port. Δηλαδή αν το σύστημα μας είχε μία θύρα τροφοδοσίας και έναν πυκνωτή, πλέον θα είχαμε δύο θύρες τροφοδοσίας. Στη συνέχεια τρέχουμε την ανάλυση μας και εξάγουμε τις S-παραμέτρους, οπού θα είναι αρχείο με κατάληξη.s2p. Στη συνέχεια στο ADS, δημιουργούμε ένα καινούργιο σχεδιαστικό παράθυρο και φτιάχνουμε την παρακάτω συνδεσμολογία (Εικόνα 2.11). Τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούμε είναι: C, πυκνωτής από τη παλέτα Lumped components. Μέσω αυτού θα κάνουμε προσαρμογή για να βρούμε την κατάλληλη τιμή. S-parameters, είναι ο ελεγκτής προσομοίωσης από τη παλέτα Simulation-S_parameters. Σε αυτόν ορίζουμε τις συχνότητες που θα τρέξει το σύστημα μας, δηλαδή τις ίδιες συχνότητες που τρέξαμε στην ανάλυση στο HFSS. Term1 από τη παλέτα Simulation-S_parameters. Αποτελεί την αντίσταση τροφοδοσίας και γι αυτό ορίζουμε τη τιμή της στα 50Ω. S2P_Diff, το οποίο το εισάγουμε από το workshop μας με drag&drop. Σε αυτό θα φορτώσουμε το S2P αρχείο που εξάγαμε από το HFSS. Εικόνα 2.11: Κύκλωμα υπολογισμού τιμής πυκνωτή Τρέχοντας την προσομοίωση μέσω tuning το ADS δημιουργεί ένα αρχείο.dds στο οποίο μπορούμε να φτιάξουμε πίνακες και διαγράμματα, ανάλογα τη χρήση που θέλουμε. Μας ανοίγει και ένα παράθυρο όπου μπορούμε να αλλάζουμε τις τιμές όσων στοιχείων έχουν τη δυνατότητα για προσαρμογή, στη προκειμένη του πυκνωτή. Από την παλέτα φτιάχνουμε ένα Rectangular Plot, στο παράθυρο που μας ανοίγει κάνουμε add το db(s(1,1)). Στο παράθυρο προσαρμογής βρίσκουμε την επιθυμητή τιμή του πυκνωτή ώστε να έχουμε συντονισμό στην επιθυμητή συχνότητα και ύστερα την αποθηκεύουμε στο κύκλωμα. 39

46 Εικόνα 2.12: Διάγραμμα S-παραμέτρου-Συχνότητας και ρυθμιστής τιμής πυκνωτή Τέλος, επιστρέφουμε στο HFSS, αφαίρουμε το lumped port από την επιφάνεια του πυκνωτή και το ορίζουμε σαν πυκνωτή κάνοντας δεξί κλικ->assign Boundary->Lumped RLC. Στο παράθυρο που μας ανοίγει είσαγουμε την τιμή που βρήκαμε στο ADS και ορίζουμε με γραμμή τα δυο άκρα του πυκνωτή κατά τον ίδιο τρόπο με το lumped port Κύκλωμα συντονισμού Το κύκλωμα συντονισμού αποτελείται από έναν πυκνωτή και ένα πηνίο. Βοηθάει μια γραμμή μεταφοράς στο να έχει καλύτερη μεταφορά ενέργειας από την πηγή στο φορτίο. Θα χρησιμοποιήσουμε ένα τέτοιο κύκλωμα ανάμεσα από τη πηγή και την εξωτερική κεραία, και άλλο ένα ανάμεσα από την εμφυτεύσιμη κεραία και το κύκλωμα ανόρθωσης. Οι τιμές του πηνίου και του πυκνωτή προσαρμόζονται ώστε να έχουμε συντονισμό. Στο ADS το κύκλωμα μας θα αποτελείται από ένα πηνίο και έναν πυκνωτή της παλέτας Lumped components. Εικόνα 2.13: Κύκλωμα συντονισμού 40

47 2.2.4 Κύκλωμα ασύρματης ζεύξης κεραιών Το κύκλωμα μας αποτελείται από δυο ξεχωριστά κυκλώματα που ενώνονται μέσω της ασύρματης ζεύξης των κεραιών, δηλαδή δεν υπάρχει φυσική ένωση. Το λαμβανόμενο σήμα στο δέκτη είναι ασθενέστερο και ίσως με διαφορετική φάση από το εκπεμπόμενο καθώς κατά την ασύρματη μεταφορά υπάρχουν απώλειες. Αυτές τις απώλειες τις θα αναπαραστήσουμε στο κύκλωμα μας μέσω των παραμέτρων εμπέδησης. Οι κεραίες που θα εξετάσουμε είναι όλες αμοιβαίες, άρα θα χρησιμοποιήσουμε το Τ-ισοδύναμο κύκλωμα. Για τον υπολογισμό των αντιστάσεων, πηνίων ή πυκνωτών που θα αποτελούν το Τ-ισοδύναμο ακολουθούμε τα εξής βήματα: 1) Από το HFSS, στο παράθυρο solution data επιλέγουμε το Z matrix real/imaginary, και τη συχνότητα λειτουργίας. Εικόνα 2.14: Παράθυρο εύρεσης παραμέτρων εμπέδησης. 2) Υπολογίζουμε τις τιμές Z11-Z12, Z22-Z12 και Ζ12 που αποτελούν τα τρία σύνθετα στοιχεία του Τ-κυκλώματος. Μετατρέπουμε το πραγματικό μέρος σε αντίσταση και το φανταστικό σε πηνίο ή πυκνωτή. Re{Z} = R Αν Im{Z}>0, τότε Im{Z} = ωl L=Im{Z}/ω, όπου ω η κυκλική συχνότητα λειτουργίας. Αν Im{Z}<0, τότε Im{Z} = 1/jωC C=1/(Im{Z}*ω) Επειδή αυτά τα στοιχεία αναπαριστούν την ασύρματη ζεύξη επιτρέπεται να χρησιμοποιήσουμε αρνητική τιμή αντίστασης. 3) Τέλος τα εισάγουμε στο ADS με στοιχεία αντίστασης, πηνίου ή πυκνωτή από τη παλέτα lumped components. 41

48 Εικόνα 2.15: Κύκλωμα ασύρματης ζεύξης κεραιών Κύκλωμα ανόρθωσης Το κύκλωμα αυτό ανορθώνει το σήμα που λαμβάνει η εμφυτεύσιμη κεραία. Θα χρησιμοποιήσουμε την ανόρθωση δύο διόδων που είδαμε στο κεφάλαιο 1. Οι δίοδοι που θα χρησιμοποιήσουμε είναι οι HSMS2852 που περιγράψαμε πως τις εισάγουμε στην ενότητα Εικόνα 2.16: Κύκλωμα ανόρθωσης. Η οριζόντια δίοδος ανορθώνει τις θετικές ημιπεριόδους ενώ η κάθετη τις αρνητικές Κύκλωμα συστήματος Το τελικό σύστημα μας αποτελείται από την πηγή τροφοδοσίας, το κύκλωμα συντονισμού για τον πομπό, το κύκλωμα ασύρματης ζεύξης, το κύκλωμα συντονισμού για το δέκτη, το κύκλωμα ανόρθωσης και το φορτίο. 42

49 Εικόνα 2.17: Κύκλωμα συστήματος στο ADS 43

50 Κεφάλαιο 3 Κεραία μικροταινίας με δαχτυλίδια συντονισμού Για την καλύτερη κατανόηση των μεγεθών των κεραιών που πρέπει να λειτουργήσουμε, μελετήσαμε και προσομοιώσαμε την κεραία που παρουσιάζουν οι Giuseppina Monti, Maria Valeria De Paolis και Luciano Tarricone στο άρθρο Wireless power transfer link for rechargeable deep brain stimulators. Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζεται μια συνδεσμολογία κεραιών για ασύρματη μεταφορά ενέργειας με συχνότητα λειτουργίας εντός της ζώνης MedRadio. Η χρήση της προορίζεται για φόρτιση εμφυτεύσιμου βηματοδότη για τη θεραπεία της ασθένειας Parkinson. 3.1 Δομή κεραίας Ακολουθώντας τις οδηγίες τους φτιάχνουμε την προσομοίωση του σώματος και στη συνέχεια εισάγουμε τις κεραίες. Η απόσταση μεταξύ κεραίας-πομπού και κεραίας-λήπτη θα αποτελείται από 2mm δέρμα, 2mm λίπος, 1mm μυ. Οι κεραίες είναι τύπου μικροκεραίας με χρήση διαχωρισμένων δαχτυλιδιών συντονισμού (SRR) ως ταινία ακτινοβολίας. Έχουν υπόστρωμα Arlon DiClad880 πάχους 0.508mm και υπέρστρωμα Arlon AR1000 πάχους 0.610mm. Η εξωτερική κεραία, δηλαδή ο πομπός, έχει διαστάσεις 19.86mm x 19.86mm ενώ η εσωτερικήδέκτης έχει 15.94mm x 15.94mm. Τέλος σημειώνεται ότι κάθε κεραία έχει συνολικό πάχος 1.18mm. Εικόνα 3.1: Πλάγια όψη του συστήματος Η ταινία ακτινοβολίας βρίσκεται ανάμεσα στο υπόστρωμα και στο υπέρστρωμα. Επίσης υπάρχει ένα SRR στην εξωτερική πλευρά του υποστρώματος. Για τα μεγέθη του μετάλλου ακτινοβολίας και των διαχωρισμένων δαχτυλιδιών συντονισμού (SRR) ισχύουν οι τιμές του παρακάτω πίνακα. Η δομή τους φαίνεται στην Εικόνα

51 Εικόνα 3.2: Μεγέθη για το σχεδιασμό των κεραιών. Οι τιμές της στήλης Primary αναφέρονται στην εξωτερική κεραία ενώ της Secondary στην εμφυτεύσιμη. Εικόνα 3.3: Γεωμετρία κεραίας. Ο δείκτης i γίνεται p για την εξωτερική κεραία και s για την εσωτερική. Οι γκρι κύκλοι υποδηλώνουν τις τρύπες στις οποίες θα μπουν οι βίδες για να ενώνουν τα δύο στρώματα. Στα αριστερά της εικόνας 3.4 βλέπουμε ότι έχουμε αφαιρέσει δύο κομμάτια του υπερστρώματος, το πάνω είναι για να συνδεθεί ο πυκνωτής ενώ το κάτω για την τροφοδοσία. 45

52 Όπως παρατηρούμε από τον πίνακα, η εσωτερική κεραία είναι μικρότερη από την εξωτερική ενώ διατηρεί την ίδια δομή. Αυτό συμβαίνει γιατί η εξωτερική κεραία περιβάλλεται ως επί το πλείστον από αέρα ενώ η εσωτερική περιβάλλεται εξ ολοκλήρου από μυ. Γι αυτό πρέπει να προσαρμοστεί το μέγεθος της εσωτερικής κεραίας ώστε να συντονίζει στην ίδια συχνότητα λειτουργίας, καθώς ο αέρας με τον μυ έχουν διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Εικόνα 3.4: Η κεραία σχεδιασμένη στο HFSS. Στα αριστερά βλέπουμε το patch, τον πυκνωτή και το υπέρστρωμα και στα δεξιά το SRR και το υπόστρωμα. Εικόνα 3.5: Η τελική δομή της κεραίας. Κατά παρόμοιο τρόπο και χρησιμοποιώντας τις τιμές του πίνακα της εικόνας 3.3 σχεδιάζουμε την εμφυτεύσιμη κεραία. Το τελικό σύστημα των δυο κεραιών φαίνεται στην εικόνα

53 Εικόνα 3.6: Εξωτερική και εμφυτεύσιμη κεραία. 3.2 Χαρακτηριστικά λειτουργίας της διάταξης Η ανάλυση του συστήματος έγινε στις συχνότητες MHz. Τρέχοντας την προσομοίωση παίρνουμε τις παρακάτω τιμές για τις S-παραμέτρους οι οποίες έχουν κάποιες διαφορές με τα αποτελέσματα του άρθρου. Εικόνα 3.7: Διάγραμμα S-παραμέτρων-Συχνότητας, Άρθρου. 47

54 Εικόνα 3.8: Διάγραμμα S-παραμέτρων-Συχνότητας, Προσομοίωσης Συγκρίνοντας τις τιμές S-παραμέτρων για τη συχνότητα λειτουργίας του άρθρου, τα 403MHz, παίρνουμε το παρακάτω πίνακα. Στην τέταρτη γραμμή είναι οι τιμές στη συχνότητα που παρουσιάζεται μέγιστο στη τιμή S12 των κεραιών που σχεδιάσαμε. S11(dB) S22(dB) S12(dB) Άρθρο (403MHz) Προσομοίωση (403MHz) Προσομοίωση (406MHz) Προσομοίωση (411MHz) Οι παραπάνω διαφορές οφείλονται: 1. Στο άρθρο δεν περιγράφεται η δομή του σώματος πέρα από την απόσταση μεταξύ των κεραιών. 2. Στο μέγεθος των τρυπών για τις βίδες ή στο υλικό από το οποίο είναι φτιαγμένες οι βίδες. 3. Στις επιφάνειες που αφαιρέσαμε από το υπέρστρωμα για να εισάγουμε τον πυκνωτή και την τροφοδοσία. Το διάγραμμα ακτινοβολίας στα 411ΜΗz φαίνεται στην εικόνα

55 Εικόνα 3.9: 3D διάγραμμα ακτινοβολίας, (i) Ισομετρική όψη, (ii) Κάτοψη. Εξετάζοντας το σύστημα κεραιών μας, στα 411MHz, ως προς την τιμή SAR παίρνουμε τιμές εντός ορίων για τροφοδοσία 10.25mW και κάτω. Η μέγιστη τιμή σημειώνεται στα W/Kg ανά 1g ιστού. Εικόνα 3.10: Τιμή SAR προσομοίωσης στα 411MHz. 49

56 3.3 Επεξεργασία μετρήσεων - Αποτελέσματα Για την επεξεργασία των μετρήσεων θα δουλέψουμε μέσω του ADS. Αρχικά θα μελετήσουμε την κεραία μας ως προς τη συχνότητα λειτουργία της, τα 411MHz. Μετατρέπουμε τις παραμέτρους εμπέδησης σε τιμές αντίστασης και πηνίου, όπως δείξαμε στο κεφάλαιο 2, για να αντικαταστήσουμε την ασύρματη ζεύξη μέσω κυκλωματικών στοιχείων. Ζ11-Ζ12: R= Ω και C= pF Ζ22-Ζ12: R= Ω και C=13.056pF Ζ12: R= Ω και L= nH Στη συνέχεια ρυθμίζουμε τις τιμές των κυκλωμάτων συντονισμού για να έχουμε καλύτερη μεταφορά ενέργειας στις γραμμές μεταφοράς. Κύκλωμα συντονισμού πομπού: C=100pF και L=7nH Κύκλωμα συντονισμού δέκτη: C=1pF και L=160nH Τέλος το φορτίο και ο πυκνωτής εξομάλυνσης ρυθμίζονται στα 500Ω και 1pF αντίστοιχα. Εικόνα 3.11: Κύκλωμα συστήματος στα 411MHz 50

57 Τρέχοντας την προσομοίωση παίρνουμε τα παρακάτω διαγράμματα τάσης, ρεύματος και ισχύος. Εικόνα 3.12: Διαγράμματα τάσης, ρεύματος και ισχύος στη συχνότητα 411MHz Θα εξετάσουμε τις αποδόσεις του συστήματος ως προς την ενεργό τιμή ισχύος σε τρία διαφορετικά σημεία του κυκλώματος. Κεραία προς κεραία: ηrftorf=4.343% Ανόρθωση: ηανόρθωση=30.659% Πηγή σε φορτίο: η=1.332% Παρατηρούμε ότι έχουμε μεγάλη πτώση στη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των κεραιών. Αυτό οφείλεται στο ότι η κεραία δεν ακτινοβολεί έντονα στη κατεύθυνση της εμφυτεύσιμης κεραίας. Τέλος θα μελετήσουμε το σύστημα σε συχνότητα εντός της μπάντας MICS. Επιλέγουμε τα 406MHz καθώς εκεί παρουσιάζεται η υψηλότερη τιμή του συντελεστή διάδοσης S12. Το κύκλωμα συντονίζεται με τις εξής τιμές: Ζ11-Ζ12: R=27.938Ω και L= nH Ζ22-Ζ12: R=91.333Ω και L= nH Ζ12: R= Ω και L=5.5562nH 51

58 Κύκλωμα συντονισμού πομπού: C=36pF και L=7nH Κύκλωμα συντονισμού δέκτη: C=4pF και L=46nH Εικόνα 3.13: Διαγράμματα τάσης, ρεύματος και ισχύος στη συχνότητα 406MHz Οι αποδόσεις που εξετάσαμε για το συγκεκριμένο σύστημα είναι: Κεραία προς κεραία: ηrftorf=4.825% Ανόρθωση: ηανόρθωση=26.108% Πηγή σε φορτίο: η=1.26% Παρατηρούμε ότι αν έχουμε παρόμοια τιμή στο S12, η καλύτερη τιμή του συντελεστή ανάκλασης S11 ισοδυναμεί με περισσότερη μεταφορά ενέργειας καθώς φτάνει περισσότερη ενέργεια στην κεραία του πομπού από την πηγή. 52

59 Κεφάλαιο 4 Κεραία μικροταινίας μαιάνδρου και δαχτυλίδια συντονισμού Σε αυτή την κεραία θα χρησιμοποιήσουμε την ίδια δομή περιβάλλοντα χώρου για να εξάγουμε συσχετιζόμενα αποτελέσματα. 4.1 Δομή κεραίας Οι κεραίες μας επειδή θα έχουν τροφοδοσία ομοαξονικού καλωδίου θα παρουσιάσουν διαφορές κατά τη σχεδίαση τους. Θα δούμε αναλυτικά τη διαδικασία σχεδίασης και θα εξετάσουμε την επίδραση που έχουν τα βήματα σχεδίασης στη συχνότητα συντονισμού. Λόγω του ότι η εμφυτεύσιμη κεραία μοιάζει σε δομή με την εξωτερική θα περιγράψουμε αναλυτικά την εξωτερική κεραία και στη συνέχεια θα αναφέρουμε τις διαφορές που υπάρχουν. Εξωτερική κεραία Υπόστρωμα: Υλικό Rogers RT/Duroid 5880 (εr=2.2) διαστάσεων 20mm x 20mm x 0.508mm. Θα κάνουμε μια τρύπα ακτίνας 0.3mm προκειμένου το ομοαξονικό καλώδιο να τροφοδοτεί το μέταλλο εκπομπής (patch). Στη εξωτερική πλευρά του βρίσκεται το επίπεδο γείωσης. Υπέρστρωμα: Υλικό Rogers RO3210 (εr=10.2) διαστάσεων 20mm x 20mm x 0.64mm. Στην πάνω πλευρά του υποστρώματος εφάπτεται το επίπεδο γείωσης με το οποίο θα έρχεται σε επαφή ο εξωτερικός αγωγός του ομοαξονικού καλωδίου. Θα έχουμε, και εδώ, μια τρύπα ακτίνας 1mm το οποίο είναι η ακτίνα του teflon που βρίσκεται στο ομοαξονικό. Εικόνα 4.1: Γείωση, υπόστρωμα και υπέρστωμα της κεραίας. Μέταλλο εκπομπής Αρχικά, σχεδιάσαμε δύο διαχωρισμένα δαχτυλίδια (SRR) πάχους 1.5mm έκαστο δαχτυλίδι (W1, W2) με σχισμές στην ίδια πλευρά. Απόσταση από το κέντρο είναι 5.5mm(Radius) και η απόσταση μεταξύ των δαχτυλιδιών είναι 0.5mm (gap). Η σχισμή του πρώτου SRR έχει πάχος 1.2mm(slit1) και του δεύτερου 0.5mm(slit2). Τέλος ενώνουμε τα δαχτυλίδια από τη μια πλευρά με μία επιφάνεια πάχους 1.5mm. 53

60 Εικόνα 4.2: Αρχική δομή του patch Η δομή αυτή συντονίζει σε αρκετά υψηλότερη συχνότητα από την επιτρεπόμενη, στα 524ΜΗz (Εικόνα 4.5). Για να μειώσουμε τη συχνότητα συντονισμού θα πρέπει να αυξήσουμε τη διαδρομή του ρεύματος, γι αυτό θα κάνουμε εγκοπές στα SRR (Εικόνα 4.4). Οι εγκοπές θα έχουν πάχος 20 ο και θα εμφανίζονται ανά 40 ο.το βάθος κάθε εγκοπής έχει παραμετρικοποιηθεί ώστε να μπορούμε να ρυθμίζουμε τη συχνότητα συντονισμού. Σε κάθε δαχτυλίδι χρησιμοποιούμε διαφορετική παράμετρο. (outer_cut1=εγκοπή του εσωτερικού δαχτυλιδιού) (outer_cut2=εγκοπή του εξωτερικού δαχτυλιδιού) Ύστερα από δοκιμές καταλήξαμε ότι το ιδανικό μήκος εγκοπής είναι: outer_cut1=1.05mm outer_cut2=1.1mm Με τις συγκερκιμένες τιμές εγκοπών η κεραία συντονίζει στα 401ΜΗz που είναι εντός της μπάντας MICS (Εικόνα 4.6). 54

61 Εικόνα 4.3: Μέταλο εκπομπής κεραίας με εγκοπές Εικόνα 4.4: Διαδρομή ρεύματος πριν και μετά τις εγκοπές 55

62 Εικόνα 4.5: Συχνότητα συντονισμού πριν τις εγκοπές Εικόνα 4.6: Συχνότητα συντονισμού με τις εγκοπές 56

63 Τροφοδοσία Η τροφοδοσία θα γίνει μεσω ομοαξονικού καλωδίου. Η δομή της έχει περιγραφεί στο κεφάλαιο 2, και έχει τιμή 50Ω. Η θέση της έχει παραμετρικοποιηθεί προκείμενου να ρυθμίζουμε τη συχνότητα συντονισμού καθώς επηρεάζει την διαδρομή του ρεύματος. Για την επιθυμητή συχνότητα λειτουργίας η θέση τροφοδοσίας έχει συντεταγμένες (outer_feedx,outer_feedy) = (2mm,-8mm) (Εικόνα 4.5). Να σημειώσουμε ότι λόγω του μεγέθους του εσωτερικού αγωγού της τροφοδοσίας, 0.3mm, οι θέσεις τροφοδοσίας περιορίζονται στις περιοχές ανάμεσα στις εγκοπές. Πυκνωτής Για τον καλύτερο συντονισμό στην επιθυμητή συχνότητα θα χρησιμοποιήσουμε έναν πυκνώτη που θα ενώνει το patch με το επίπεδο γείωσης. Η θέση που τοποθετείται παίζει σημαντικό ρόλο καθώς δημιουργεί μία γέφυρα μεταξύ patch και γείωσης επηρεάζοντας έτσι τη διαδρομή του ρεύματος. Οι δυνατές θέσεις τοποθέτησης του έχουν τον ίδιο περιορισμό με την τροφοδοσία, δηλαδή τοποθετείται στις περιοχές των δαχτυλιδιών μεταξύ των εγκοπών. Η θέση του πυκνωτή έχει οριστεί ως (outer_cx,outer_cy) = (-1,-8.2). Όπως περιγράψαμε στο κεφάλαιο 2, με τη βοήθεια του ADS βρίσκουμε τη χωρητικότητα του στα 203pF. Εικόνα 4.7: Θέσεις τροφοδοσίας και πυκνωτή 57

64 Ταλαντωτής διαχωρισμένων δαχτυλιδιών Η κεραία μας πρέπει να λειτουργεί σε ένα μικρό εύρος ζώνης εντός της μπάντας MICS. Επίσης πρέπει να προσέξουμε το σύστημα μας να μην επηρεάζεται από άλλες σύχνοτητες πέραν αυτής της μπάντας για αποφυγή παρεμβολών από σήματα γειτονικών συχνοτήτων. Δηλαδή θα πρέπει να αυξήσουμε τον παράγοντα Q. Για να το πετύχουμε αυτό θα τυπώσουμε μια δομή SRR στο κάτω μέρος του υπερστρώματος. Θα αποτελείται από τρία δαχτυλίδια με σχισμές πάχους mm που θα ενώνονται με γέφυρες πλάτους 0.495mm. Το πάχος των δαχτυλιδιών βρίσκεται από τις παρακάτω ακτίνες (Εικόνα 4.8): r1=1.472mm, r2=1.968mm, r3=2.849mm, r4=3.596mm, r5=4.453mm, r6=5.507mm Άρα το πλάτος κάθε δαχτυλιδιού θα είναι: Πρώτου = 0.496mm Δεύτερου = mm Τρίτου = 1.054mm Εικόνα 4.8: Δομή του SRR 58

65 Η επίδραση του SRR φαίνεται στις παρακάτω εικόνες (Εικόνα 4.9 και 4.10) οπού βλέπουμε το S11 πριν και μετά την εφαρμογή του. Παρατηρούμε ότι έχουμε βελτίωση του παράγοντα Q και μια βελτίωση του συντελεστή ανάκλασης κατά 7.75dB. Εικόνα 4.9: Διάγραμμα συντελεστή ανάκλασης πριν την εφαρμογή του SRR Εικόνα 4.10: Διάγραμμα συντελεστή ανάκλασης μετά την εφαρμογή του SRR Η τελική δομή της εξωτερικής κεραίας φάινεται στην εικόνα

66 Εικόνα 4.11: Ολοκληρωμένη δομή εξωτερικής κεραίας Εμφυτεύσιμη κεραία Έχοντας ολοκληρώσει την εξωτερική κεραία θα προχωρήσουμε στο σχεδιασμό της εμφυτεύσιμης κεραίας. Όπως προαναφέραμε θα βρίσκεται 5mm κάτω από την εξωτερική κεραία και θα περικλείεται από μυ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει η συμπεριφόρα της κεραίας και να χρειάζεται κάποιες αλλαγές προκειμένου να συντονίζει στην ίδια συχνότητα. Αρχικά θα δούμε τα κοινά των δύο κεραιών και στη συνέχεια τις διαφορές. Ομοιότητες: Το υπόστρωμα και το υπέρστρωμα έχουν ίδιες διαστάσεις. Η τροφοδοσία είναι ίδιου μεγέθους και χαρακτηριστικής αντίστασης. Το patch αποτελείται από ισομεγέθη δαχτυλίδια εκτός των σημείων που κάνουμε τις εγκοπές. Το SRR στο υπέρστρωμα είναι ίδιο με το εξωτερικό. 60

67 ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ Διαφορές: Η θέση της τροφοδοσίας γίνεται (inner_feedx, inner_feedy)=(6.8mm, -4.6mm). Οι εγκοπές στο patch γίνονται inner_cut1=0.95mm και inner_cut2=0.9mm. Η θέση τοποθέτησης του πυκνωτή αλλάζει στη (inner_cx, inner_cy)= (-8.2mm, -1mm), και η τιμή του πυκνωτή υπολογίζεται στα 570pF. Ορίσαμε λοιπόν νέες παραμέτρους για την διευκόλυνση σχεδιασμού και προσαρμογής της εσωτερικής κεραίας. Με αυτές τις αλλαγές καταφέραμε να συντονίσουμε τη κεραία μας στα 405MHz. Εξωτερική Εμφυτεύσιμη Υπόστρωμα Υπέρστρωμα W1 W2 Slit1 Slit2 Radius gap 20mm X 20mm X 0.508mm 20mm X 20mm X 0.64mm 1.5mm 1.5mm 1.2mm 0.5mm 5.5mm 0.5mm feedx, feedy 2mm, -8mm 6.8mm, -4.6mm Cx, Cy -1mm, -8.2mm -8.2mm, -1mm Χωρητικότητα 203pF 570pF cut1 1.05mm 0.95mm cut2 1.1mm 0.9mm 61

68 Εικόνα 4.12: Εξωτερική και εμφυτεύσιμη κεραία 4.2 Χαρακτηριστικά λειτουργίας της κεραίας Εξετάζοντας τις παραμέτρους σκέδασης παρατηρούμε ότι ενώ οι κεραίες συντονίζουν σε κοντινές συχνότητες, η μεταξύ τους ασύρματη σύνδεση είναι ασθενής. Επίσης το σύστημα μας είναι αμοιβαίο καθώς S12=S21. Η εξωτερική κεραία συντονίζει στα 401ΜΗz και παρουσιάζει υψηλό Q. Η εμφυτεύσιμη κεραία συντονίζει στα 405ΜΗz αλλά έχει χαμηλό Q, το οποίο μας δίνει τη δυνατότητα να τη λειτουργήσουμε στα 401ΜΗz χωρίς μεγάλη απώλεια στο συντελεστή ανάκλασης της θύρας 2. 62

69 Εικόνα 4.13: Διάγραμμα παραμέτρων σκέδασης-συχνότητας Η ασθενής ασύρματη σύνδεση επιβεβαιώνεται από το διάγραμμα ακτινοβολίας, όπου παρατηρούμε χαμηλό κέρδος κεραίας στον άξονα Ζ. Με αλλά λόγια η εκπομπή ακτινοβολίας για τη γωνία theta=180 o είναι χαμηλή. Εικόνα 4.14: Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραίας (i) Τριμετρική όψη, (ii) Κάτοψη 63

70 Η τιμή SAR στα 401MHz είναι εντός ορίων ασφαλείας για τιμές τροφοδοσίας 7mW και κάτω. Όπως παρατηρούμε παρουσιάζεται αυξημένη απορρόφηση ακτινοβολίας στο χώρο μεταξύ των πυκνωτών εξωτερικής και εμφυτεύσιμης κεραίας. Αυτό συμβαίνει λόγω του ότι στη θέση των πυκνωτών παρουσιάζεται μεγαλύτερη ένταση ρεύματος. Εικόνα 4.15: Τιμή SAR συστήματος στα 401MHz 64

71 Εικόνα 4.16: Διαδρομή ρεύματος (i)επίπεδο μετάλλου εξωτερικής κεραίας, (ii) Επίπεδο γείωσης εξωτερική κεραίας, (iii) Επίπεδο μετάλλου εμφυτεύσιμης κεραίας, (iv) Επίπεδο γείωσης εμφυτεύσιμης κεραίας 4.3 Επεξεργασία μετρήσεων - Αποτελέσματα Όπως είδαμε και στην ενότητα 3.3, θα ρυθμίσουμε το κύκλωμα μας ώστε να εξετάσουμε την απόδοση του συστήματος. Επειδή η συχνότητα συντονισμού βρίσκεται εντός της μπάντας συχνοτήτων για εμφυτεύσιμες εφαρμογές, θα εξετάσουμε το κύκλωμα μόνο σε αυτή τη συχνότητα. Άρα για τα 401ΜΗz έχουμε: Ζ11-Ζ12: R= Ω και C= pF Ζ22-Ζ12: R= Ω και C= pF Ζ12: R= Ω και L= nH Στη συνέχεια ρυθμίζουμε τις τιμές των κυκλωμάτων συντονισμού για να έχουμε καλύτερη μεταφορά ενέργειας στις γραμμές μεταφοράς. Κύκλωμα συντονισμού πομπού: C=85pF και L=150nH Κύκλωμα συντονισμού δέκτη: C=1pF και L=155nH 65

72 Τέλος το φορτίο και ο πυκνωτής εξομάλυνσης ρυθμίζονται στα 1500Ω και 1pF αντίστοιχα. Εικόνα 4.17: Κύκλωμα συστήματος στα 401MHz Από τα διαγράμματα τάσης και ρεύματος είναι φανερό ότι δεν έχουμε καλή μεταφορά ενέργειας από τον πομπό στο δέκτη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το δυναμικό στην άνοδο της διόδου να μην είναι αρκετό για να περάσει το κατώφλι λειτουργίας, με συνέπεια να μην λειτουργεί ούτε η ανόρθωση σωστά. Εικόνα 4.18: Διαγράμματα τάσης και ρεύματος του κυκλώματος στα 401MHz 66

73 Εικόνα 4.19: Διάγραμμα ισχύος του κυκλώματος στα 401ΜΗz Από τις ενεργές τιμές της ισχύος υπολογίζουμε τις εξής αποδόσεις: Κεραία προς κεραία: ηrftorf=1.215% Ανόρθωση: ηανόρθωση=1.145% Πηγή σε φορτίο: η=0.014% 67

74 Κεφάλαιο 5 Κεραία Μικροταινίας με μαιανδρικό ανακλαστήρα και δαχτυλίδια συντονισμού 5.1 Δομη κεραίας Η κεραία αυτή είναι συνδυασμός των δύο παραπάνω κεραιών που μελετήσαμε. Παρουσιάζει καλή κατευθυντικότητα, συντονίζει στη MICS μπάντα και παρουσιάζει καλύτερη απόδοση. Η μελέτη της θα γίνει στον ίδιο περιβάλλων χώρο για να έχουμε πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Από την κεραία μικροταινίας μαιάνδρου και δαχτυλίδια συντονισμού κρατήσαμε: 1. Το υπόστρωμα (Rogers RT/Duroid 5880 (εr=2.2) 20mm X 20mm X 0.508mm) 2. To υπέρστρωμα (Rogers RO3210 (εr=10.2) 20mm X 20mm X 0.64mm) 3. Τον μαίανδρο, τον οπόιο μετακινούμε στη πίσω πλευρά του υποστρώματος και αφαιρούμε τη τροφοδοσία του, αφήνωντας τον ως μέταλλο. Τα υπόλοιπα στοιχεία όπως, το επίπεδο γείωσης και ο πυκνωτής αφαιρούνται. Από την κεραία μικροταινίας με δαχτυλίδια συντονισμού παίρνουμε το μέταλλο εκπομπής και τον πυκνώτη που τοποθετείται ανάμεσα στις δύο πλευρές της σχισμής. Επίσης υπολογίζουμε τα κομμάτια του υπερστρώματος που αφαιρέθηκαν για την τροφοδοσία και τον πυκνωτή. Οι διαστάσεις τους είναι (Χ,Υ,Ζ): 10mm, 2mm, 0.64mm πάνω από τη τροφοδοσία και 2mm, 1.2mm, 0.64mm πάνω από τον πυκνωτή. Στον παρακάτω πίνακα σημειώνουμε τις διαφορετικές τιμές που παρουσιάζει το μέταλλο εκπομπής από αυτό που είδαμε στην εξωτερική κεραία του κεφαλαίου 3, καθώς και τις τιμές των εγκοπών στον μαίανδρο. Μέταλλο εκπομπής Εξωτερική Εμφυτεύσιμη Μαίανδρος Εξωτερική Εμφυτεύσιμη Wrpi 20mm Gr1i 0.2mm cut1 1.3mm 1.2mm pi 0.3mm cut2 1.3mm 1.3mm ari Ci 5.3mm 18pF 68

75 Εικόνα 5.1: (i)δομή μέταλλου συντονισμού με σημειωμένα τα αλλαγμένα μαγέθη, (ii) Δομή μαιάνδρου Όπως παρατηρούμε από τον πίνακα η εξωτερική κεραία μοιάζει σε μεγάλο βαθμό με την εμφυτεύσιμη. Η τελική δομή της εξωτερικής κεραίας φαίνεται στη εικόνα 5.2. Εικόνα 5.2: Δομή εξωτερικής κεραίας 69

76 5.2 Χαρακτηριστικά λειτουργίας της κεραίας Τρέχοντας την προσομοίωση μας στις συχνότητες ΜΗz εξάγουμε τις παρακάτω παραμέτρους σκέδασης. Εικόνα 5.3: Παράμετροι σκέδασης Όπως βλέπουμε από την εικόνα 5.3, στα 406MHz σημειώνονται καλές τιμές για τις παραμέτους S11 και S22. Ο συντελεστής διάδοσης, S12, παρουσιάζει μέγιστο στα 419MHz. Σε αυτή τη συχνότητα οι συντελεστές ανάκλασης παρουσιάζουν μεγάλη πτώση. S11 S22 S12 406MHz -6.89dB -32dB dB 419MHz -5.3dB dB -10.9dB Συγκρίνοντας τις τιμές συμπεραίνουμε ότι το σύστημα μας θα λειτουργεί καλύτερα στα 406ΜΗz. Άρα σε αυτή τη συχνότητα θα εξετάσουμε το διάγραμμα ακτινοβολίας και την τιμή ρυθμού ειδικής απορρόφησης (SAR). Από το διάγραμμα ακτινοβολίας παρατηρούμε ότι έχουμε μείωση ακτινοβολίας στη γωνία theta=180 o. Για τιμές SAR εντός ορίων χρησιμοποιούμε τροφοδοσία εώς και 8.1mW. Όπως και στις προηγούμενες κεραίες, οι υψηλότερες τιμές SAR παρουσιάζονται κοντά στους πυκνωτές. 70

77 Εικόνα 5.4: Διάγραμμα ακτινοβολίας, (i) Τριμετρική όψη, (ii) Κάτοψη Εικόνα 5.5: Τιμή SAR συστήματος στα 406ΜΗz 71

78 5.3 Αποτελέσματα και επεξεργασία μετρήσεων Για τη συχνότητα των 406MHz, που ανήκει στη μπάντα MICS, προσαρμόζουμε το κύκλωμα ασύρματης ζεύξης και στη συνέχεια ρυθμίζουμε τα κυκλώματα συντονισμού για να εξετάσουμε το σύστημα. Έχουμε: Ζ11-Ζ12: R=14.042Ω και C= pF Ζ22-Ζ12: R=35.967Ω και C= pF Ζ12: R=2.261Ω και L=6.8526nH Κύκλωμα συντονισμού πομπού: C=16pF και L=13nH Κύκλωμα συντονισμού δέκτη: C=2pF και L=111nH Το φορτίο μας έχει τιμή 900Ω και ο πυκνωτής 1pF. Εικόνα 5.6: Κύκλωμα συστήματος (406MHz) 72