Nghiên cứu ăng ten xoắn kích thước nhỏ dùng cho các cảm biến vô tuyến đặt trong cơ thể người tt

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU ĂNG-TEN XOẮN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CÁC CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ĐẶT TRONG CƠ THỂ NGƯỜI Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG D.T Dung, N.Q Dinh, N.Tuan, Y Yamada, and N Michishita, “Simulation Methods of a Normal-Mode Helical Antenna in a Human Body Condition,” International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp.380-383, Hanoi, Vietnam, Oct 2016 (Scopus Index) Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quốc Định PGS.TS Đỗ Quốc Trinh D.T Dung, N.Q Dinh, D.Q Trinh and Y Yamada, “Investigating Equations Used to Design Very Small Normal-Mode Helical Antenna in Free Space,” International Journal of Antennas and Propagation, vol 2018, Article ID 7967468, pages, Online ISSN:1687-5869, DOI:10.1155/2018/7967468 Phản biện 1: PGS TS Vũ Văn Yêm D.T Dung, N.Q Dinh, K.K Phuong, L.T Trung, Y Yamada, and N Michishita, “Simulation results of input resistance dependence on dielectric constants of materials surrounding a normal-mode helical antenna,” 2018 Phản biện 2: PGS.TS Trần Minh Tuấn Vietnam-Japan International Symposium on Antennas and Propagation, vol 2018, pages 45-49, Danang, Vietnam, 2018 Phản biện 3: PGS.TS Bạch Nhật Hồng N T Tuan, Y Yamada, N Q Dinh, R H M Baharin, K B Kamardin, D.T Dung, and N Michishita, “Deterministic Equation of Self Resonant Structures for Normal-Mode Helical Antennas Implanted in a Human Body,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 17, no 8, pp 13771381, Aug 2018 online ISSN: 1548-5757, DOI: 10.1109/LAWP.2018.2846600 Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 3117/QĐ-HV ngày 03 tháng năm 2019 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi 08 30 ngày tháng năm 2019 D.T Dung, N.Q Dinh, Y Yamada, N Michishita and H.Q Anh, “ Electric characteristics of very small Normal-Mode Helical Antenna in a Human Body Conditions,” International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp.70-74, Quynhon, Vietnam, Oct 2017 N.Q Dinh, D.T Dung, Y Yamada, and N Michishita, “Input Resistance Changes and Related Performances of a Normal-Mode Helical Antenna in a Có thể tìm hiểu luận án tại: Human Body Application,” Applied Computational Electromagnetics Soci- - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân ety Journal, 2019 (Submited - Under review) MỞ ĐẦU KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Kết đóng góp luận án Đề xuất cơng thức tính tốn sử dụng để phân tích thiết kế ăng-ten NMHA kích thước nhỏ cho thiết bị cảm biến vô tuyến đặt thể người - Đề xuất công thức ăng-ten (ăng-ten lưỡng cực, ăng-ten vịng) sử dụng cho tính tốn tham số điện NMHA làm việc không gian tự - Xây dựng công thức để thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng NMHA làm việc mơi trường điện mơi (điện mơi có giá trị gần với tính chất mơ thể người) Chế thử đánh giá ảnh hưởng môi trường điện môi có tính chất gần với thể người đến đặc tính điện hoạt động NMHA Hướng phát triển Đánh giá ảnh hưởng chất điện môi tới hoạt động NMHA, hướng tới có nhiều lớp định lượng ảnh hưởng đó; Xây dựng hoàn thiện giải pháp thiết kế, tính tốn cơng thức NMHA làm việc môi trường điện môi Hướng đến sử dụng hiệu công thức cho thiết kế; Động lực nghiên cứu: Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, thiết bị phục vụ lĩnh vực y tế trở nên đại đem lại hiệu thiết thực Thiết bị cảm biến không dây dùng thể người phục vụ y tế thực phát minh quan trọng ngành điện tử Ăng-ten thành phần quan trọng khối truyền thông thiết bị cảm biến cần phải đạt yêu cầu nghiêm ngặt thiết bị y tế như: kích thước nhỏ; hiệu suất xạ cao; tiêu tốn lượng; tuân thủ tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR: specific absorption ratio) mơi trường sinh học có thay đổi, suy hao phức tạp Vì vậy, luận án đề xuất sử dụng ăng-ten xoắn (NMHA: Normal-Mode Helical Antenna) cho thiết bị cảm biến ứng dụng y tế Bởi vì, NMHA thu phát sóng vơ tuyến với hiệu suất cao điều chỉnh ăng-ten trạng thái tự cộng hưởng Việc ứng dụng NMHA có kích thước khoảng 1/100 bước sóng dùng khơng gian tự [28], [30], [35] Do đó, tác giả lựa chọn thực đề tài "Nghiên cứu ăng-ten xoắn kích thước nhỏ dùng cho cảm biến vô tuyến đặt thể người" Kết đề tài góp phần hồn thiện giải pháp thiết kế, tính tốn NMHA thơng qua hệ thống cơng thức, đánh giá ảnh hưởng môi trường tới hoạt động ăng-ten nhằm mở nhiều nội dung phát triển Mục tiêu nghiên cứu luận án: Đề xuất giải pháp thiết kế, tính tốn cho NMHA cơng thức: + Đề xuất cơng thức tính tốn tham số điện ăng-ten làm việc không gian tự + Đề xuất phát triển công thức thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng cho ăng-ten sử dụng môi trường điện môi Đánh giá ảnh hưởng môi trường điện môi tới hoạt động NMHA, thực nghiệm đo kiểm, so sánh kết để có kết luận xác, độ tin cậy nội dung luận án trình bày Cấu trúc luận án: Luận án trình bày 116 trang gồm: chương nội dung, kết luận hướng phát triển, phụ lục, cơng trình cơng bố tài liệu tham khảo 24 4.3 Radiation patterns 4.3 Radiation patterns Radiation 4.3.1 Radiation pattern of4.3.1 phantom 1: pattern of phantom 1: Mô Đo kiểm Chương 330 Hiện nay, ứng dụng công nghệ tiên tiến ngành điện tử - viễn thông cho y tế phát triển mạnh mẽ Một số thiết bị cảm biến vô tuyến phát triển để thay cho thiết bị khám, chữa bệnh truyền thống, ứng dụng thuận lợi cho bác sĩ sử dụng mà giúp cho bệnh nhân có thêm thoải mái suốt trình xét nghiệm, lấy mẫu thăm khám, điều trị bệnh Tuy nhiên, cảm biến vô tuyến dùng y tế đứng trước yêu cầu quan trọng ngày phải thu nhỏ kích thước, chất lượng làm việc lại không ngừng nâng cao [7] Ăng-ten thành phần khối truyền thông thiết bị, phải đáp ứng tốt yêu cầu khách quan 300 60 270 (1.1) Ở l độ dài ăng-ten, λ độ dài bước sóng Một vấn đề quan trọng xác định trường xạ xung quanh ăng-ten kích thước nhỏ trình bày Hình 1.1a [53] Đặc tính xạ ăng-ten thể Hình 1.1b Giá trị 1/r thị hệ số trường điện vùng xa, tương ứng hệ số giới hạn cho trường xạ ăng-ten Đây sở cho việc xác định tham số kỹ thuật cự ly, phạm vi liên lạc đáp ứng yêu cầu hệ thống vô tuyến phục vụ cho y tế 300 60 90 270 -10 180 210 a) Gθmax a).G θ 300 60 150 210 a) Gθmax 30 Gmax= - 18,7 dBi Gmax= - 17,8 dBi -20 60 -30 270 -50 -50 90 90 -40 -30 240 120 120 -20 -20 -10 180 -10 -40 -30 240 120 -20 150 = - 18,7 330dBi max Mô Gmax= - 17,8 dBi Đo kiểm -40 -30 240 120 -20 G 30 -40 -50 90 -30 -40 -30 210 -10 Gmax=330 - 31,5 dBi 30 Mô G = - 29,4 dBi -20 Đo kiểm max -40 -50 240 -20 -30 -10 180 210 150 -10 180 150 b) G b) Gφmaxϕ b) Gφmax Figure 10: xy plane Figure 10: xy plane Hình 4.9: Bức xạ mặt phẳng xy mẫu (σ = 0,15) đồng tốt Gθmax Gϕmax thu khoảng -31 dBi -19 dBi Sự sai lệch kết khoảng dBi, sai lệch nhỏ, phù hợp với sai số kỹ thuật thực nghiệm, đo kiểm Điều cho thấy chất điện mơi mẫu Mô Đo kiểm 330 -10 -20 300 30 G = - 35,6 330 dBi -10 max Mô Gmax= - 35,8 dBi Đo kiểm 60 300 -30 270 -50 -50 90 -10 180 = -330 35,6 dBi-10 210 a).G θ a) Gθmax -10 180 = - 330 24,6 dBi -10 -30 -30 60 300 270 90 -50 270 -30 a) Gθmax 210 -10 180 b) Gφmax Gmax= - 24,6 dBi Gmax= - 26,4 dBi 60 90 -40 -30 240 120 120 -20 -20 150 30 -50 90 -40 240120 -40 -40 -20 150 G 30 max Mô G = - 26,4 dBi -20 Đo kiểmmax 30060 -30 240 120 -20 210 G 30 max Mô G = - 35,8 dBi-20 Đo kiểmmax -40 -30 240 -20 -40 -40 270 -30 -40 Nghiên cứu lĩnh vực ăng-ten kích thước nhỏ địi hỏi thực tiễn phát triển lĩnh vực điện tử viễn thơng nói chung ứng dụng lĩnh vực cho y tế nói riêng Nền tảng nghiên cứu ăng-ten kích thước nhỏ đề xuất nhiều cơng trình [51]-[64] Thiết bị cảm biến y tế không dây thể người u cầu ăng-ten có kích thước nhỏ, điều nằm yêu cầu chung cần giảm nhỏ thiết bị cảm biến y tế Đối với ăng-ten điện có kích thước nhỏ theo Wheeler [50] định nghĩa là: = - 31,5 330dBi -10 -40 Định nghĩa ăng-ten kích thước nhỏ λ 2π G max Mơ Gmax= - 29,4 dBi Đo kiểm -40 Tổng quan thiết bị cảm biến vô tuyến y tế l≤ 30 -30 270 1.2 -20 300 Tổng quan ăng-ten kích thước nhỏ dùng cho cảm biến y tế 1.1 -10 150 210 -10 180 150 b) Gφmaxϕ b) G Hình 13:yz yz lpane Hình 4.10: Bức xạHình mẫu (σ = 0,89) 13: yzmặt lpane phẳng Conclusion hấp thụ5 lượng xạ ăng-ten lớn so với chất điện môi mẫu Conclusion Gθmax Gϕmax thu khoảng -35 dBi -24 dBi Điều phù REFERENCES hợp với đánh giá từ kết quảREFERENCES mô thu phần đầu chương 4.4 Kết luận chương [1] ASGE, Wireless capsule endoscopy, American Society for Gastrointestinal Endoscopy, 2013 [1] ASGE, Wireless capsule endoscopy, American Society for Gastrointestinal Endoscopy, 2013 [2] “ETSI website.” http://www.etsi.org European Telecommunication Standards Institute [2] “ETSI website.” http://www.etsi.org European Telecommunication Standards Institute [3] C.M Lee, T.C Yo, C.H Tu, and Y.Z Juang, “Compact broadband stacked implantable antenna for [3] C.M Lee, T.C Yo, C.H Tu, and Y.Z Juang, “Compact broadband stacked implantable antenna for biotelemetry with medical devices,” Electronics Letters, pp 660 - 662, 2007 biotelemetry with medical devices,” Electronics Letters, pp 660 - 662, 2007 [4] J Ung and T Karacolak, “A Wideband Implantable Antenna for Continuous Health Monitoring in the [4] J Ung and T Karacolak, “A Wideband Implantable Antenna for Continuous Health Monitoring in the MedRadio and ISM Bands,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 11, pp 1642-1645, 2012 MedRadio and ISM Bands,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 11, pp 1642-1645, 2012 [5] W Lei and Y X Guo, “A miniaturized implantable loop antenna at MICS and ISM bands for biomedical [5] W Lei and Y X Guo, “Aapplications,” miniaturized implantable antennaInternational at MICS andMicrowave ISM bands for biomedical 2013 IEEEloop MTT-S Workshop Series on RF and Wireless applications,” 2013 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on (IMWS-BIO), RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications pp – 3, 2013 Technologies for Biomedical [6] andN.Q Healthcare Applications (IMWS-BIO), pp – 3, 2013 Dinh, N Michishita, Y Yamada, and K Nakatani, “Electrical characteristics of a very small normal [6] N.Q Dinh, N Michishita,mode Y Yamada, K Nakatani, of a very small2009 normal helical and antenna mounted“Electrical on a wheelcharacteristics in the TPMS application,” IEEE Antenna and Propagation mode helical antenna mounted on a wheel in the TPMS application,” IEEE Antenna and 2009 Propagation Society International Symposium, pp - 2009 Charleston, SC: IEEE Society International Symposium, pp Charleston, SC: IEEE 2009 [7] W Hong, W Jung, Y Yamada, and N Michishita, “High performance normal mode helical antennas [7] W Hong, W Jung, Y Yamada, and N Michishita, performance normalSociety mode helical antennas for RFID tags,” 2007 IEEE“High Antenna and Propagation International Symposium, pp 6023 - 6026 for RFID tags,” 2007 IEEE Antenna Honolulu,and HI:Propagation IEEE 2007.Society International Symposium, pp 6023 - 6026 Honolulu, HI: IEEE 2007 [8] Quoc Dinh Nguyen, Naobumi Michishita, Yoshihide Yamada and Koji Nakatani, “Deterministic [8] Quoc Dinh Nguyen, Naobumi Yoshihide Structures Yamada and “DeterministicHelical Antennas,” IEICE EquationMichishita, for Self-Resonant of Koji Very Nakatani, Small Normal-Mode Equation for Self-ResonantTrans.Commun., Structures of Vol.E94-B, Very Small Normal-Mode Antennas,” IEICE No.5, PP.1276-1279,Helical May 2011 Trans.Commun., Vol.E94-B, [9] No.5, PP.1276-1279, May 2011 Dang Tien Dung, Nguyen Quoc Dinh, Do Quoc Trinh and Yoshihide Yamada, “Investigating Equations [9] Dang Tien Dung, NguyenUsed QuoctoDinh, DoVery QuocSmall TrinhNormal-Mode and Yoshihide Yamada, “Investigating Equations Design Helical Antenna in Free Space,” International Journal of Antennas Used to Design Very Small Normal-Mode Helical in FreeIDSpace,” International Journal of Antennas and Propagation, vol.Antenna 2018, Article 7967468, pages, DOI: 10.1155/2018/7967468 and Propagation, vol 2018, Article ID 7967468, pages, DOI: 10.1155/2018/7967468 [10] N T Tuan, Y Yamada, N Q Dinh, R H M Baharin, K B Kamardin, Dang Tien Dung, and N [10] N T Tuan, Y Yamada,Michishita, N Q Dinh, R H M Baharin, K B DangStructures Tien Dung, N “Deterministic Equation of Kamardin, Self Resonant forand Normal-Mode Helical Antennas Michishita, “Deterministic Equation Resonant for Normal-Mode Antennas Implantedofin Self a Human Body,”Structures IEEE Antennas and Wireless Helical Propagation Letters, Vol 17, no 8, pp 1377Implanted in a Human Body,”1381, IEEEAug Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 17, no 8, pp 13772018 Print ISSN: 1536-1225, Online ISSN: 1548-5757, DOI: 10.1109/LAWP.2018.2846600 1381, Aug 2018 Print ISSN:[11] 1536-1225, Online ISSN: 1548-5757, DOI: 10.1109/LAWP.2018.2846600 C Gabriel, “Compilation of the dielectric properties of body tissues at RF and microwave frequencies,” [11] C Gabriel, “Compilationtechnical of the dielectric properties of body tissues at RFAir andForce microwave frequencies,” report AL/OE-TR-1996-0037, Brooks technical report AL/OE-TR-1996-0037, [12] FEKOBrooks suite 7, Air EMForce Software & Systems [12] FEKO suite 7, EM Software & Systems Các thay đổi NMHA hoạt động chất điện môi chủ yếu trở kháng vào NMHA thay đổi Sự tăng lên trở kháng vào kết luận tăng lên độ điện dẫn môi trường điện môi Kết so sánh thực nghiệm mô cho thấy, có tương đồng mơ hình giá trị Kết khảng định nội dung trình bày luận án xác đáng tin cậy 23 Thực nghiệm sảnsản xuất mômô cơcơ Thực nghiệm xuất σ tạo = chất 0.89 Bảng 4.2: Thành phần vật liệu dùng để chế điện môi 16.8 MHz Bảng 4.4: Kết đo kiểm chất điện mơi Z0 = 23 Ω Hình Tên vật liệu Khối lượng (gram) Nước khử ion 840 Bột Polyethylene 84,5 360 380 400 420 Chất làm đặc sinh học (Ager) 40 Frequency (MHz) Muối Natri clorua 5,5 Chất làm đặc (TX-151) 12,5 5.3 Độ rộng băng thông NMHA mô Muối dehydro - acetate 0,5 0.89) Giá trị Điểm đo #1 Điểm đo #2 Điểm đo #3 Trung bình hình phát xạ tính5.4 tốn Mơ theo cơng thức (4.3): εr 54,5 55,4 49 52,967 Ở l độ dài anten, λ độ dài bước sóng Bởi kích thước anten vùng xa trường điện cảm ứng Giá trị r tăng lên giá trị 1/k2r3 1/kr2 nhỏ, nên bị thách thức phối hợp trở kháng hiệu suất xạ chóng nhỏ hình 2.4 Khi r = 1/k = λ/2π, Er = k(E1 + E2 + giảm xuống nhanh Khu vực trường xung quanh anten trình bày hình 2.3.E3) Trường vùng xa 440 k 2r 460 nhân tạo (σ = Mẫu số εi σ 6,8 0,15111 7,0 0,15555 5,8 0,1288 6,533 0,145 εr 53,0 52,7 54,3 53,33 r1 Mẫu số εi σ 41,0 0,91111 40,8 0,9066 39 0,8666 40,267 0,894 kr B VS r2 Points giới ε’ (Re)ε’’ (Im) ε’’ (Im) σ σ ε’ (Re) (Im) σ Trường phát xạ vùng xa tạo đo đạcPoints ε’ (Re) Points Points ε’ (Re) ε’’ (Im)ε’’ σ σ NMHA mô nhân 0.911111 54.5 54.5 6.8 0.151111111 6.8 0.151111111 1 53 53 41 410.911111 εm =hai εr − mẫu jεi = εr mô −chế j thiệu hình nhân tạo (4.3) (εr = σ = 0.15); mẫu mô nhân dẫn 53; điệnKết mẫu chất điện môi chọn ε = 53; σ = 0,15 (S/m) 52.7 0.906667 55.4 0.155555556 r a).5.4 Thành phần thử b) đo tham số điện môi 52.7 40.840.80.906667 55.4 0.155555556 ωε0 0.866667 49 5.8 0.128888889 5.8 0.128888889 anten 54.354.3 39 390.866667 49 tạo (εr = 53; σ = 0.89) sử dụng khoảng cách từ mơ nhân tạo có Mẫu chọn εr 52.9667 = 53; σ6.5333333 = 0,89 (S/m) Avg 53.33333 40.26667 0.894815 Avg 0.145185185 Avg 53.33333 40.26667 0.894815 Avg 52.9667 6.5333333 0.145185185 NMHA tớithức anten thực 1.5m xem xét độ lớn phát xạ hai mặt phẳng Ở công trên, εrthu phần số điện mơi chất điện Hình 4.6: Chế thử chất điện 4.3.2 Qui trình chếmơi thử NMHA xy yz Thực tế, q trình gặp nhiều khó khăn việc xác hố điều kiện mơi, εi thị phần tổn hao ảo môi trường điện môi ε0 số r H Trường vùng gần k Trường cảm ứng Snvjkcnklds Klnvf,knmfdlkbg,.ngng Nfgjfgj Hmhjhj Vhhhj điện môi môi trường chân không Trong luận án sử dụng kết mô phỏng, đo kiểm giá trị phần thực số điện môi σ = 2πfεiε0 bảo thuận lợi cho trình chế tạo đo kiểm tác giả Như trình bày Các bước chế tạo tác giả tổng hợp theo thứ tự Bảng 4.5, NMHA chế tạo Hình 4.14 NMHA cấp nguồn thông qua cân (4.4) Hai mẫu chất điện môi sản xuất với độ điện dẫn khác để xem a) Đo trở kháng VNA (Spertopf balun), mục đích cân chống lại việc dòng quay ngược trở lại cáp đồng trục 4.3.3 Kết đo kiểm so sánh b) Đo trường xạ Để đo kiểm tham số NMHA môi trường điện mơi, NMHA 5.4q trình Đo đođạc xạ anten xét ảnh hưởng tới hoạt động củaHình NMHA kiểm.độ lớn phát đặt chất điện mơi có hệ trục tọa độ trình bày Hình 4.15 Độ lướn phát xạtrịcủa NMHA mẫu nhân tạo mặt phẳng Hình Cài đặt, kiểm chất điện mơi.xy Độ điện dẫn mẫu có giá4.7: dự kiến (σ =đo 0) Tuy nhiên, NMHA trình bày hình 5.5 Đường màu đỏ hiển thị cho kết đo đạc,83 đường màu đen Đo kiểm Đo kiểm Mơ 50j  =  có tham số điện môi 10jđạt gần giống với mô 250j người thật Mỗi mẫu -10j thông số kỹ thuật, kết giá trị trung bình -250j trình bày -25j -100j Bảng 1.2: Thống kê kết nghiên cứu loại ăng-ten đề xuất dùng cấy ghép y tế C.M Lee Karakolak J Kim W Lei J R Costa S Bakogianni NMHA Ăng-ten xếp chồng Ăng-ten phẳng chữ F ngược Ăng-ten mạch dải Ăng-ten tròn Ăng-ten tròn kết hợp xẻ khe Ăng-ten lưỡng cực phẳng Mong muốn đạt 2017 2016 Vị trí cấy mơ thể, đo kiểm ( r = 46.7; σ = 0.69 S/m) Vị trí cấy mô cơ, đo kiểm mô nhân tạo ( r = 53; σ = 0.89 S/m)  =  10j 250j Phân loại 402 MHz 10 25 50 100 2007 2008,2009,2012 2010 2013 2014 Vị trí cấy da, đo kiểm dung dịch có ( r = 46.7; σ = 0.69 S/m) Vị trí cấy da, đo kiểm lớp da chuột ( r = 38.15; σ = 2.27 S/m) Vị trí cấy lồng ngực, đo kiểm ( r = 49.6; σ = 0.51 S/m) Vị trí cấy mơ cánh tay, đo kiểm có ( r = 46.7; σ = 0.689 S/m) Vị trí cấy lớp mô thể, đo kiểm ( r = 51.7; σ = 0.8 S/m) 250 -10j -250j Ứng dụng -100j b) σ = 0,89 24 a) σ = 0,15 Để làm sở cho nghiên cứu nhỏ cho ứng dụng RWS, WCE tác giả trình bày, tổng hợp chi tiết Bảng 1.1 Tham số -50j Từ kết đo Bảng 4.4, giá trị trung bình số điện mơi độ Các cơng trình nghiên cứu, đề xuất sử dụng ăng-ten kích thước nhỏ thiết bị cảm biến vô tuyến cho y tế có liên quan 100j -25j -50j 1.3 50j 25j 402 MHz chọn 03 điểm bề mặt (25#1,50#2,100 #3)250để tiến hành đo kiểm tra 10 Bảng 4.4 Các ứng dụng không dây y tế yêu cầu đường kết nối liên tục thiết bị cảm ứng thể người thiết bị bên để truyền liệu nhận điều khiển từ bên ngồi Vì vậy, mơ hình phát xạ anten cần phải vơ hướng anten nằm thể người có tính ngẫu nhiên Hiện nay, tất thiết bị y tế có sử dụng anten thể người sử dụng tần số từ 402 – 405 MHz đặc điểm giới thiệu phần chương (Snodgrass, luận 2011) án, kết ăng-ten kích thước Bảng 1.1: Thống kê kết đề xuất ăng-ten nhỏ cho cảm biến y tế thực chế tạo mẫu thực Vì vậy, q trình sản xuất mẫu có độ dẫn điện càngMô25jnhỏ tốt Đối với mẫu số 2, sản xuất 100j Hình 2.4 Đặc tính phát xạ anten siêu nhỏ Hình 1.1: Đặc điểm nghiên cứu ăng-ten nhỏ 2.4 Kết nghiên cứu trước anten ứng dụng thể người cộng hưởng NMHA kích thước q bé Do đó, lựa chọn phải đảm Hình 3.2, cấu trúc B (N = 9; H/λg = 0,20) chọn để chế tạo Từ công thức 4.3, độ điện dẫn điện môi tính bởi: r b) Đặc tính xạ a) Phân bốbốtrường Hình 2.3 Phân trường xung xạ quanh anten Fhjhj A 2 Nhỏ Tần số Kích thước (mm) Băng thơng 81 Hình 4.8: Cài đặt, đo kiểm NMHA chất điện môi Độ lợi Hiệu suất Công thức cho thiết kế 402 MHz 500 MHz 402 MHz 402 MHz 402 MHz 402 MHz 402 MHz 15 x 1.9 (đường kính x cao) 22.5 x 22.5 x 2.54 (cao x rộng x sâu) 32 x 24 x (cao x rộng x sâu) 11 x 0.645 (đường kính x cao) 22 x 1.7 (đường kính x cao) 20.8 x 3.5 (cao x rộng) 6.9 x 5.1 (đường kính x cao) 12 % 20.4 % khơng đề cập 105 % 7.2 % 20 % 2% - 26 dBi - 25 dBi không đề cập -35.6 dBi -31 dBi -27.5 dBi -24 dBi 0.31 % 0.21 % 0.16 % không đề cập không đề cập 0.057 % 0.70 % Chưa có Chưa có Chưa có Chưa có Chưa có Cơng thức tính Q Có vào đồng với trường hợp Kết đo kiểm cho thấy trở vào NMHA chất điện môi nhỏ so với chất điện môi 2, với 9,32 Ω 23,9 Ω tần số cộng hưởng 402 MHz Khi độ điện dẫn tăng lên làm cho trở vào NMHA tăng lên Kết tự cộng hưởng tần số 402 MHz, trở vào thu từ mô sử dụng xác, đáng tin cậy • Kết đo trường xạ Kết mơ đo kiểm có tương Qua khảo sát, thống kê kết nghiên cứu cơng bố thấy rằng, kết loại ăng-ten rõ ràng, đầy đủ, đa dạng liên tục cải tiến nhằm hoàn thiện cho ứng dụng thực tiễn Một số đánh giá, tổng kết có ý nghĩa quan trọng cần thiết cho nghiên cứu phát triển nội dung luận án là: 22 0.05 0.04 0.03 0.05  =  r = 53; f = 402 MHz 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.04 0.03 0.10 0.12  =  r = 0.04 0.05 H/g Q 0.10 1100 1300 0.07 D/g 0.09 0.08 N=7 1500 0.06 1700  =  r = 53; f = 402 MHz 1900 0.04 0.03 0.04 0.05 0.10 0.10 0.09 0.09 0.08 0.06 0.07 0.08 0.09 0.06 0.05 0.05 0.04 0.03 0.10 H/g  =   =  0.04 N=5 30 N=7 N=7 N =25 N=9 35 20 =   =  r = 53; f =402 MHzr = 53; f = 402 MHz 0.04 0.03 0.06 0.04 0.07 0.05 0.08 0.060.09 0.070.100.08 0.05 0.09 0.10 H/g H/g a) σ = (S/m) 20 N=5 25  =  0.08 =  0.07  =  0.06 40 0.07 N=9 0.05 0.11 0.11 N=5  =   =  Q 0.12 0.12 0.11 D/g hướng: đề xuất ăng-ten cụ thể, khảo sát, đánh giá, cải tiến, chế thử, đo kiểm áp dụng thực tế vào thiết bị hướng đến Các kết đạt có chế thử, đo kiểm xác nhận khả làm việc nên có tính thực tế, thực tiễn cao • Giải pháp cho thiết kế, tính tốn ăng-ten cơng thức cịn chưa đề cập tới chưa trọng, hồn chỉnh cách có hệ thống • Kích thước ăng-ten, hiệu suất phát xạ thách thức thực cần thu nhỏ thiết bị dùng cho ứng dụng y tế • Ảnh hưởng mơi trường điện môi (môi trường mà thiết bị làm việc) tới hoạt động thiết bị ăng-ten cần làm rõ 0.12 b) σ = 0,89 (S/m) Hình 4.4: Hệ số phẩm chất NMHA hướng phát triển công thức tính tốn trở vào NMHA cơng thức [79] • Đồ thị xạ 1.4 Tiêu chuẩn khuyến nghị sử dụng thiết bị cảm biến vô tuyến dùng y tế Hiện nay, có nhiều công nghệ khác ứng dụng cho cảm biến y tế thể người Vì vậy, có nhiều tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan tới hướng ứng dụng cấy ghép y tế công bố Đây sở để luận án lựa chọn tần số làm việc ăng-ten, đảm bảo giá trị NMHA phù hợp với tiêu chuẩn khuyến nghị quốc tế lĩnh vực 1.4.1 Tiêu chuẩn cho hệ thống truyền thông y tế cấy ghép thể người MICS Dải tần cấp phép cho hoạt động vô tuyến từ 402 MHz đến 405 MHz Độ rộng lớn băng thông cho kênh liên lạc 300 kHz Vì vậy, tần số 402 MHz tác giả lựa chọn cho khảo sát mô thực nghiệm phù hợp với nội dung luận án hướng tới 1.4.2 Tiêu chuẩn cho hệ thống y tế công nghiệp ISM Băng tần ISM băng tần tiềm khuyến nghị sử dụng cho dịch vụ cấy ghép thiết bị y tế Băng tần có sẵn từ 2,4000 GHz đến 2,4835 GHz Băng tần ISM (2,4 GHz) tác giả lựa chọn cho việc khảo sát, đánh giá xác phương pháp mơ phần phụ lục B 1.5 Lựa chọn giá trị dùng cho mô thực nghiệm 1.5.1 Giá trị tham số môi trường điện môi Mặt phẳng H 330 -10 30 -20 Mặt phẳng E 300 Mặt phẳng H Gmax = -21,4 dBi 330 300 270 90 Gmax = -27,6 dBi 60 -50 90 -40 -40 -30 -30 240 120 120 -20 -20 210 30 -40 -50 240 -30 -40 270 -10 -20 Mặt phẳng E 60 -30 -10 -180 210 150 a) σ = (S/m) -10 180 150 b) σ = 0,89 (S/m) Hình 4.5: Đồ thị xạ NMHA 4.3 Chế tạo đo kiểm NMHA chất điện mơi 4.3.1 Quy trình chế tạo chất điện môi Thành phần chế thử chất điện môi, kết đo kiểm tham số chất điện mơi 34 Hình 4.6 38 4.3.2 Qui trình chế thử NMHA 0.07 H/g D/g • Các nghiên cứu đề xuất sử dụng ăng-ten kích thước nhỏ chủ yếu theo xu 0.06 Thực tế, q trình gặp nhiều khó khăn việc xác hố điều kiện cộng hưởng NMHA kích thước q bé Do đó, lựa chọn phải đảm bảo thuận lợi cho trình chế tạo đo kiểm tác giả Cấu trúc B (N = 9; H/λg = 0,20) chọn để chế tạo 4.3.3 Kết đo kiểm so sánh • Kết đo kiểm trở kháng vào Thực tế, mô người gồm nhiều lớp khác như: da, mỡ, cơ, máu, xương Bên cạnh đó, cấu trúc phận thể người có độ Trong hai trường hợp đo kiểm với chất điện môi 2, NMHA đạt cộng hưởng tần số 402 MHz; kết đo kết mô trở kháng 21 Mô Mỡ Da (khô) 20 0.10 R () Rant N=7 N=9 0.35 N=9 N=7 N=5 0.30 0.07 Rl 18 N=7 1.4: Tham số điệnmôi môi mô cơlựa nhânchọn tạo tần số 402 MHz sửcứu dụng Bảng 1.2:Bảng Tham số điện cho nghiên 402 MHz 0.21 0.08 N=9 0.06 N=7 0.18 0.07 Rin() 18 N=5 0.24  () 0.09 19 0.08 17 0.30 0.27 0.10 19 0.09 D/g 0.40 Vì vậy, sở so sánh lựa chọn giá trị tham số sử dụng cho luận án 0.11 20 N = luận án 0.15 0.06 N=9 0.25 0.05  =  r = 53; f = 402 MHz 0.20 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.04 0.03 H/g 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.04 0.03 0.10 b) σ = 0,89 (S/m) 20 0.10 D/g  =  0.10  =  0.10  =  19  =  18 0.08 0.0817 0.070.07  =  18 0.060.06 0.04 N =N9 = 0.06 0.05 0.07 0.06 H/g 0.08 0.07  () 0.09 0.05 0.08 0.04 0.03 0.10 0.09 0.10 H/g 1.6  =  r = 53; f = 402 MHz 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 H/g 0.24 0.21 0.08 N=7 0.18 0.15 0.06 r 0.04 N = 0.03 0.27 0.07  == = 53; f==53; 402f = MHz r 402 MHz 0.05 0.04 0.09 N =N7 =   0.03 N=9 0.12  =  r = 53; f = 402 MHz 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 H/g a) σ = (S/m) b) σ = 0,89 (S/m) Q Hình 4.2: Hiệu suất 0.11 20 N=5 0.10 25 0.09 • Hệ số phẩm chất 30 0.08 0.07 N=7 35 0.06 40 Cấu trúc có H/λg = 0.07 D/λg = 0.07  =  r = 53; f = 402 MHz 0.04 0.05 0.06 0.07 H/g 0.08 0.09 Cấu trúc có H/λg = 0.07 D/λg = 0.07 0.10 0.29 MHz VSWR 0.04 0.03 N=9 25 20 0.05 0.12 0.11 14.27 MHz σ = 0,89 0.10 f0= 401.85 MHz fL= 401.675 MHz fH= 401.965 MHz  401.2 401.4 401.6 401.8 402.0 402.2 402.4 402.6 385 Tần số (MHz) f0= 401.75 MHz fH= 408.74 MHz fL= 394.47 MHz 390 395 400 405 410 Tần số (MHz) 415 0.09 420 b) σ = 0,89 (S/m) a) σ = (S/m) Hình 4.3: Băng thơng Giá trị cụ thể thay đổi trở vào, hiệu suất NMHA phụ thuộc vào thay đổi σ môi trường điện môi sau: với σ khảo sát tăng lên từ 0; 0,15; 0,89 S/m, trở vào NMHA tăng lên tương ứng 0,44; 8,58; 22,8 Ω Trong đó, giá trị trở phát xạ khơng thay đổi hiệu suất phát xạ NMHA giảm xuống nhanh chóng với giá trị tương ứng -7,4; - 20,4; - 24,7 dBi Đây tiền đề quan trọng cho 20 0.08 0.09 0.10 0.08 0.07 0.06 39 0.05 0.04 0.04 Lựa chọn phần mềm, xác định phương pháp mô MICS định nghĩa mơ hình giả lập vật lý tương đương thể người Để đạt phù hợp, xác cho kết nghiên cứu, tác giả thực để dùng cho mô thí nghiêm Tuỳ theo kích cỡ, yêu cầu vị trí so sánh kết mô ăng-ten xoắn phương pháp MoM FEM bị đặt thể người để xác định mơ hình cho phù hợp để kết Thông qua thiết so sánh, phương pháp mô MoM cho hiệu cao, tham khảo sát, đo kiểm tốt Ưu áp điểmdụng việc xâyđiều dựngkiện mơ hình số cho kết xác lựa [9],[12] chọn cho toán tạo thuận lợi tới cho nghiên cứu, dễ quản lý sử dụng Mơ hình cho mơ luận án hướng 1.7 0.12 VSWR 0.10 0.040.04 0.03 0.30 0.10 Rin()  0.050.05 Hz 0.11   0.05 0.12 N=9 25 20 D/g N=9 D/g D/g 0.090.09 N=7  = (4) 21  =  N=5 20 N=5 20  19  D/g r= 80 N=7 35 0.06 40 D/g N=5 30 0.08 0.07 • Hiệu suất RrD  RrL Rant 0.07 trị kích đo [72].vị Khitrí sử dụng thiết giá trị cho mô thựcthể nghiệm Tuỳ theo cỡ,kiểm yêubởicầu bị đặt người để xác để so sánh sử dụng giá trị tài liệu cung cấp [66],[71],[76],[78] định mơ hình cho phù hợp để kết khảo sát, đo kiểm tốt Luận án lựa chọn mơ hình mơ đồng nhất, lớp 1.5.2 Mơứng hình dụng mô N=5 25  0.06 Độ điện dẫn (σ) 0,00 0,89 Tuỳ thuộc cầu sử dụng, cần giá trị mơ thực sử dụng giá 1.5.2 Mơ hình mơnhu 0.11 0.09 0.11 0.05 Hằng số điện mơi (εr ) 53,0 53,0 Q Hình 4.1: Trở kháng vào 0.12 0.04 Mô thể Mô (mẫu 1) Mô (mẫu 2) H/g 0.12 0.11  =  r = 53; f = 402 MHz H/g a) σ = (S/m) 0.12 0.12 0.05  =  r = 53; f = 402 MHz 1,14 0,059 0,85 dày, mỏng, cong khác Ngoài ra, ảnh hưởng tần số làm việc làm trình bày Bảng 1.4 thay đổi giá trị tham số thể [66], [71], [72] 0.12 21 0.11 D/g N=5 0.45 0.12 0.50 53,0 6,0 48,0 thực nghiệm thường phải Kếtvàluận chương gần với ứng dụng hướng tới Trong chương vấn đềcócơ Thực này, tế mơ tác giả cánhđã taytrình người bày trưởng thành thường cấubản tạo làm 03 lớpcơ sở từ lựa chọn cho nghiên cứu luận án, nội dung bao gồm: cảm biến gồm: lớp da có độ sâu khoảng 1,0 mm; lớp mỡ có độ sâu khoảng 5,0 mm; lớpy tế không dây dùng người; niệm vềbàyăng-ten nhỏ, có độcơ sâuthể khoảng 100,0khái mm, trình Hình 1.6 đề xuất sử dụng ăng-ten nhỏ thiết bị y tế; số27tiêu chuẩn, khuyến nghị tiêu kỹ thuật quốc tế cho ứng dụng thiết bị điện tử không dây y tế lựa chọn 19 mơ hình, giá trịQ điện môi phương pháp mô xác định N=5 chương 24 Mơ hình lựa chọn có lớp, đồng vừa cho kết xác 29 vừa sát với thực tiễn ứng dụng Lựa chọn bảo đảm thống nhất, N=7 xuyên suốt trình nghiên cứu 34 N = khẳng định kết thu xác, Kết 19mơ MoM 24 địi hỏi dung lượng nhớ máy tính khơng cao MoM phù hợp,  =   = 53; f = 402 MHz phương pháp lựa chọn dùng xuyên suốt cho trình nghiên cứu sau 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 tácH/giả  r g 3] ứng dụng NMHA thiết bị TPMS [15-16], RFID [17] Thực tế, việc thiết kế ăng-ten xoắn siêu nhỏ chủ yếu dựa vào chương trình mơ thực nghiệm, nhiều cơng thức sử dụng cho thiết kế ăng-ten chưa kiểm nghiệm Trong chuyên đề này, NCS Chương phân tích cấu trúc ăng-tenChương xoắn siêu nhỏ,2 nghiên cứu công thức loại ăng-ten nhằm kiểm nghiệm khả ứng dụng cho việc thiết kế Đề xuất cơng thức cho tính tốn tham số điện ăng-ten xoắn siêu nhỏ [18-19] Sử dụng chương trình mơ FEKO [20] để NMHA khisố làm việc khơng tự tính tốn tham ăng-ten tần số 402 MHz: trở phátgian xạ, trở kháng hiệunội suất xạ, tỉcơ lệ trục củavề NMHA từ so sánh với kết tính 2.1 vào, Các dung NMHA bằngtạo, công đặc thức điểm nhằm kiểm nghiệm loại tính khả dụng cơng thức đề 2.1.1 tốnCấu phân ăng-ten xoắn xuất xoắn phát minh John D Kraus [44] với cấu trúc mơ Ăng-ten hình dịng điện tương đương Hình 2.1 NMHA 1.2 Phân tích cấu trúc tham số minh bảnhọa liên quan thiết kế NMHA Ảnh hưởng môi trường điện mơi tới đặc tính điện hoạt động NMHA - Quy trình, kết thực nghiệm 4.1 Cơ sở nghiên cứu Vấn đề bảo đảm chất lượng, yêu cầu kỹ thuật cho truyền liệu phục vụ hoạt động y tế với thách thức kích thước NMHA thiết bị cảm biến khơng dây thể người Ảnh hưởng điện môi tác động đến nhiều tham số, đặc tính điện khác NMHA Làm rõ ảnh hưởng thực nghiệm, kết đo so sánh với mô khẳng định tin cậy kết nghiên cứu hướng phát triển 4.2 Khảo sát ảnh hưởng mơi trường điện mơi tới đặc tính điện NMHA Cấu trúc tương tương đương củacủa NMHA HìnhHình 2.1: 1.1: Cấu trúc đương NMHA Các tham số điện NMHA phụ thuộc vào thay đổi trở vào, trở phát xạ, trở tổn hao Khi NMHA tự cộng hưởng (XL = XD ), lúc trở kháng vào tính theo cơng thức: Mơ hình dòng điện tương đương NMHA J.D Kraus (1988) đưa Rin = Rant + Rabs phân tíchtrong gồmHình hai1.1 thành phần: tử điện (lưỡng điện) vàđiện chấn tử từ NMHA có thểchấn phân tích gồm thànhcực phần chấn tử (khung nhỏ) Trong Hình 2.1, độ dài, đường kính số vịng dây ăng-ten (lưỡng cực điện) thành phần chấn tử từ (khung nhỏ) ký hiệu HA , DA , N , cịn d đường kính dây dẫn kim loại chế tạo ăng-ten Việc lựa chọn tham số HA , DA , N tuỳ chọn, giá trị phù hợp NMHA đạt trạng thái tự cộng hưởng 2.1.2 Kết đạt giải pháp thiết kế NMHA (4.1) Trong đó, Rant trở kháng NMHA, bao gồm trở phát xạ trở tổn hao dây dẫn tạo thành NMHA công thức (2.3) Rabs trở kháng hấp thụ gây chất điện môi bao quanh NMHA Để đánh giá ảnh hưởng môi trường bao quanh NMHA, giá trị σ khảo sát mô gồm 0; 0,89 (S/m); với σ = 0,151 sử dụng để phù hợp với thực nghiệm, nhằm khẳng định tin cậy kết luận 4.2.1 Kết khảo sát đặc tính điện NMHA σ thay đổi Nghiên cứu NMHA, có nhiều kết cơng bố: đề xuất phương pháp thiết kế NMHA đạt trạng thái tự cộng hưởng không gian tự công thức [36], tính tốn dự trữ lượng hệ số phẩm chất ăng-ten [31], [37] NMHA nghiên cứu, đưa vào giảng dạy trường đại học giáo sư tiếng giới, đề xuất phân tích, tính tốn phương pháp số [80] Khi NMHA đạt cộng hưởng không gian tự do, XL = XD , theo [36] Có thể thấy rằng, σ = 0, tham số NMHA thu gần giống với giá trị NMHA hoạt động môi trường không gian tự Ảnh hưởng thể người tới hoạt động NMHA σ thay đổi giá trị σ = 0,89 (S/m) sử dụng để thể rõ điều 19 • Trở kháng Giá trị sử dụng để trùng với giá trị thực nghiệm công thức điều kiện tự cộng hưởng là: 3.4.4 Công thức thiết kế NMHA Điều kiện cộng hưởng NMHA đạt XL = XD , từ công thức (3.8) công thức (3.18), ta thu cơng thức √ 600π × 19.7N D2 125Hλg = ε r µr µr εr λg (9D + 20H) πN (1.1H + D)2 (3.19) Để đánh giá phụ thuộc cấu trúc cộng hưởng vào tần số (kích thước điện), hai vế cơng thức (3.19) chia cho λg , công thức cộng hưởng trở thành: D 600π × 19.7N λg εr λDg + 20 λHg = √ εr 125 λHg πN (1.1 λHg + D ) λg 279 HλA N π(0.92 HλA + (3.20) • • • • • 0.08 D/g (2.1) DλA + 20 HλA Bảng 2.1: pháp thiết kế, NMHA Bảng 2.2:Giải Phương pháp dùng chotính thiếttốn kế NMHA r = 53 0.10 600π × 19.7N ( DλA ) Trong thiết kế, tham số điện NMHA cần phải tính tốn cách trước thực cụ chế tạo Haitoán giải pháp khichính thiết xác kế NMHA cơng sửcơng dụngđoạn chủ yếu để tính tham số đượckhi thiết kế NMHA công cụ sử dụng chủ yếu để tính tốn tham số trình trình bày Bảng 2.2 bày Bảng 2.1 Công thức Mô 0.12 = 2.1.3 Giải pháp thiết kế, tính tốn NMHA Biến đổi công thức (3.20), cấu trúc cộng hưởng NMHA điều kiện làm việc môi trường điện môi xác định So sánh kết thu từ công thức kết thu từ mô trình bày Hình 3.7 0.14 DA ) λ Tham số thiết kế NMHA Mô Công thức Cấu trúc tự cộng hưởng: (DA , HA , N ) Phần mềm Đã đề xuất [36] Phần mềm Chưa đề xuất, khảo sát kiểm chứng RrD , RrL , Rl Hiệu suất xạ: η Trường phát xạ: Eθ , Eϕ Điện cảm: XL , XD Tỉ lệ trục phát xạ: AR r = 10 0.06 0.04 0.02  = 0,89; f = 402 MHz 0.00 0.10 0.15 0.20 H/g Hình 3.7: So sánh cấu trúc cộng hưởng công thức mô Kết thu cho thấy giống công thức với mơ Vì vậy, cơng thức (3.20) sử dụng cho việc thiết kế cấu trúc NMHA môi trường điện môi 3.5 Kết luận chương Công thức (3.20) thiết kế cấu trúc NMHA đạt cộng hưởng làm việc môi trường điện môi đề xuất, xây dựng thành công tạo nên nhiều thuận lợi cho phát triển giải pháp thiết kế, tính tốn NMHA công thức Đây bước khởi đầu để tiếp tục đề xuất cơng thức tính tốn tham số điện NMHA làm việc môi trường điện môi Giải công công thức thứcchỉ chỉmới mớidừng dừnglạilại công Giảipháp phápthiết thiết kế kế ăng-ten ăng-ten xoắn xoắn cơng thức (2.1), nhiều cơng thức ăng-ten sử dụng (2.3), Vì đógiả nhiều cơngtrên thứcphân ăng-ten sử dụng chothức NMHA vậy,khitác dựa tích cấucơtrúc ăng-ten xoắn [44], đề xuất sử dụng, khảo sát hiệu công thức loại ăng-ten cho NMHA Vì vậy, tác giả dựa phân tích cấu trúc ăng-ten xoắn ứng dụng cho việc tính tốn NMHA kích thước nhỏ [45]-[49] [44], đề xuất sử dụng, khảo sát hiệu công thức loại ăng-ten 2.2 Tham số mô NMHA hoạt động không ứng giandụng tự cho việc tính tốn NMHA kích thước nhỏ [45]-[49] Để kiểm nghiệm công thức đề xuất tính tốn, tác giả sử dụng chương 2.2 Tham mơ với khipháp NMHA hoạt trình mơ phỏngsố FEKO phương MoM để khảođộng sát, tính tốnkhơng tham gian tự số kỹ thuật NMHA 2.3 Đề xuất sử dụng cơng thức để tính tốn tham số điện NMHA Để kiểm nghiệm công thức đề xuất tính tốn, tác giả sử dụng chương trình với vào phương MoM khảobởi sát, tínhthức: tốn Theomơ Hình 2.1, FEKO trở kháng pháp NMHA đượcđểtính cơng tham số kỹ thuật NMHA Các tham số, điều kiện mô NMHA Zin = RrD + RrL + Rl + j(XL − XD ) (2.2) không gian tự trình bày Bảng 2.3 18 NMHA làm việc tần số 402 7MHz, chiều dài chia lưới dây dẫn tạo thành ăng-ten λ/600 Vật liệu sử dụng đồng có hệ số điện dẫn σ = ES +Q α = 0.21 γ = 7.66 EU EU +Q αH ES αH +Q +Q α = 0.21 γ = 7.66 α = 0.21 γ = 2.47 α = 0.21 γ = 2.47 EL EL NMHA đạt cộng hưởng phần kháng công thức (2.2) ε0 không, ε0 εr εr tương ứng với XL = XD Lúc trở vào ăng-ten tính cơng thức: ε0 ε WQ We dBJ/m3 WQ dBJ/m3 We -Q Rin = RrD + RrL + Rl N=7 -Q -Q -21.3 -Q (2.3) Win -14.4 N=7 N=7 N=7 ba thành phần trình bày Wout -21.3 Win -16.4 -14.4 -16.4 Trong đó, giá trị RrD , RrL , Rl -21.3 -21.3 [26], [45], [46], trở phát xạ chấn tử(a)điện, trở(a)phát xạ chấn tử từ (b) (b) trở tổn hao thân dây dẫn kim loại dùng để chế tạo nên ăng-ten Các Fig Electric distributions (a) Inside human muscle (b) Inmuscle free space Fig 7.field Electric field distributions (a) Inside human (b) In free space giá trị trở phát xạ hiệu suất ăng-ten η , tỷ lệ phát xạ trục AR xác định a) Phân bố b) (b) Mật độ lượng trung bình (a)năng lượng(a)điện (b) công thức từ (2.4) đến (2.8) [44]-[46]: The electric field (E) distribution of structureofAstructure in Fig 4Aisinshown The electric field (E) distribution Fig is shown Hình 3.6: Phân bố mật độ lượng Fig (a) Electric distributions (b) Average density.energy density Trở phát xạ chấn tử điện (lưỡng cực điện): Fig 9.energy (a) Electric energyand distributions andenergy (b) Average Wout in Fig 7(a) As a7(a) reference, the E-fieldthe distribution in free space in Fig As a reference, E-field distribution in is free space is H expressed in Fig 7(b) The existence of +Q and –Q are similar in A 2 expressed in Fig 7(b) The existence of +Q and –Q are similar in ) (2.4) RrD = 20π ( We = w ¯in Vin + 2w ¯Q VQ + w ¯out Vout (3.14) λ The remarkable difference in Fig 7(a) is that the Fig 7(a) Fig and 7(b) 7(a) and 7(b) The remarkable difference in Fig 7(a) is that Tothe derive the capacitance (C), the relation of Qrelation and a of stored To derive the capacitance (C), the Q and a stored E-field distribution is restricted inside a capsule because of the electric energy (W ) of the next equation is used ofcông thethức Trở phát xạ chấn tử từ (khung E-field nhỏ): distribution is restricted inside a capsule becauseỞ e trên, V , V V thị độ lớn khu vực ước tính lượng of the next equation is used in Q (We)out E-field absorption outside a capsule a large by permittivity value By value By electric energy E-field absorption outside by a capsule a large permittivity tương ứng gồm vùng bên trong, vùng vùng bên ăng-ten DA Q điện tíchQvà RrL = 320π ( ) N applying the divergence theorem of Maxwell’s (2.5) equation, the stored the stored W  (9)dụng tương(9) applying 2λ the divergence theorem of Maxwell’s equation,w W  ¯in , w ¯Q , w ¯out thị cho mật độ enăng lượng trung bình vùng sử e 2C charge Q charge is calculated by the following expression: C Q is calculated by the following expression: ứng vùng bên trong, vùng điện tích vùng bên ngồi ăng-ten Điện Trở tổn hao NMHA: Here, explanations of the storedofenergy are shown inare Fig.shown (a) W Here, explanations the thức stored energy ineFig (a) We dung C ăng-ten tính theo cơng sau: Lt DdS 120  Q  E dS  E dS  E dS (6) 2antenna W2out and Win represent the indicates the total energy of the E S U L     dS  (2.6) dS   E L dS Rl = α SC QE   DdS (6) Q antenna Wout and Win represent the Q S S    SE SE indicates the Ctotal energy the U S L SS SU U SL d αλ SC = of (3.15) = antenna, energies outside and inside an respectively WQ indicates W the indicates 2W ε γ EL dv respectively e energies outside and inside an antenna, the Q Here, ES, Here, EU, and the electric fields on the side surface, energy in the Q area TheQ calculated electrical energy density is density is L indicate Hiệu suất NMHA: ESE ,E surface, energy in the area The calculated electrical energy U, and EL indicate the electric fields on the side cáchinthay trị Bảng 3.2, công thức (3.10)tovàW(3.13) vào andPthe upper and lower disks of the cylinder, respectively, as shownBằng shown Fig 9(b).giá Because the energy density corresponding Q RrL and rD + r andRthe upper lower disks of the cylinder, respectively, as shown shown in Fig 9(b) Because the energy density corresponding to WQ (2.7) ηin= Fig = (3.15) , điện dung C thu sau: 7(a) When the thickness of the charge area is expressed by is very small, W is neglected Therefore, the main part of the PA in RrD + R + R Q rL l Fig 7(a) When the thickness of the charge area is expressed by is very small, WQ is neglected Therefore, the main part of the αH, the E-field in Eq (6) is simplified as follow: electric energy inside+ D} the2 antenna becomes Win From average ε0 πN {1.1H + D}2the ε0 πN {1.1H ES2 the αH, the E-field in Eq (6) is simplified as follow: electric energy ×inside antenna becomes W2.74 average in From the = C = × Tỷ lệ xạ trục NMHA: is almost2.32γH energy density4γ0.58H of Fig 9(b), the1.3W2out the same as the Win As (3.16) E L energy density of Fig 9(b), the Wout is almost the same as the Win As Eϕ  0 D a result, We can be expressed by Win with the coefficient γ: 4 HE (7) (2.8) AR = QE  0 SD D ( E L  EU ) a result, WeNcan behiện expressed by Win with the coefficient γ: Q  HE  D ( E  E ) Eθ   (7) E S L U Ở công thức trên, giá trị thể phụ thuộc điện dung C vào số vòng dây ăng-ten GiáWtrị phù hợp phụ thuộc điện(10) cảm L vào số với e   Win   E L dv simpler khung expressions, the relations Trong đó, Eϕ trường bứcToxạobtain ăng-ten nhỏ (chấn tử từ), of EθElà  S = 1.3(EL + EU) W   W   E 2dv (10) e in To obtain simpler expressions, the relations of E = 1.3(E + E ) S L dây Uđã trình bày cơng thức (3.2)  L vòng and EScực = 2.15E are given the simulation result of Fig 7(a) trường xạ ăng-ten lưỡng điệnLnhỏ based thànhonphần cấu trúc and ES = are given are based on the simulation result 7(a) By estimating Wout area in Fig.bởi9(b), γ=thức 2.47 sau: is obtained The Dung kháng the NMHA thu công The accuracies of2.15E theseL relations expressed in Fig 8(a) andof Fig NMHA (chấn tử điện) Byofestimating the Wout by areatheinfollowing Fig 9(b),equation: γ= 2.47 is obtained The The accuracies of these relations are expressed in Fig 8(a) and capacitance (C) an NMHA is given Fig.nghiệm 8(b) Moreover, the value α xuất that determines the length of Q area 2.32γH 2.4 Khảo sát kiểm công thức đề capacitance (C) of an NMHA is given by the following equation: X = = (3.17) D 8(b) Moreover, the valuecase α that determines the Q length of Q area ωC is set to Fig be similar to the free-space of α= 0.21 Then 2.74ωε 2 πN (1.1H + D) E is Q Q 2.4.1 Khảo sát kiểm expressed nghiệmiscơng tính trởto phát xạ tothức be similar the free-space case of α= 0.21 Then QE is C  asset follow: Q2 Q2 (11) C     E dv Thay ω γ = 2,472W vào công thức (3.17) , công thức cho thấy phụ expressed as follow: e  L (11) Để kiểm nghiệm hiệu sử dụng cơng thức tính trở phát xạ, tiến hành so W   E dv e  L QE  0.4 0 D (1.1H  D ) E L (8) thuộc dung kháng vào cấu trúc NMHA biểu diễn sau: sánh kết thu từ cơng thức tính trở phát xạQE(gồm lưỡng  0.4của  0 D (1.1Hcực  Dvà) E L √ 125Hλg (8)substituting the By Eq (8) and XDcoefficients = = εrin Table II to Table II to Eq.(3.18) By substituting the coefficients in (8) and khung nhỏ) với kết mô hợp of so the sánh trình bày and parameters, Hìnhthe comparison Eq (10), the capacitance ωC As aTổng summary assumptions πN (1.1H + D) (C) is obtained as the following: of the body assumptions obtained as the following: capacitance (C) is 2.2a Sự sai khác tối đa khoảng % As a summary of the30coefficients in the human case andand theparameters, free-space the casecomparison Eq (10), the2.74  0 N 1.1H  D theTable coefficients in the human body case between and the free-space case C (12) are shownofin II The coefficient (γ) of relation total 2.74  N 1.1H  D 2.32 shown in Table II The coefficient (γ) of relation between total CH A17 (12) are electric energy and stored electric energy inside antenna will be 2.32 H A be the dependence on N is introduced by considering the explainedelectric later energy and stored electric energy inside antenna will Here, explained later Here, on of N reactance is introduced byNconsidering the concept in Ref [8] the and dependence the dependence (X) on is     0.15 0.15 0.20 H/g a) Mối quan hệ ES , EL , EU (a) (a) 0.15 0.20 0.10 0.15 H/g 0.20 H/λg (b) b) Mối quan hệ ES EL (b) Fig.Mối (a) Relations ES, Egiữa and E and (b) Relations of ES and EL trường bề mặt NMHA Hình 0.20 3.5: quan ofhệ giá điện Fig.L (a) Ucác Relations of Etrị S, EL and EU and (b) Relations of ES and EL H/g TABLE Bảng 3.1:3.2: Định lượng quan giữacác tham Bảng Định lượngIIgiá giátrị trị liên liênTABLE quan tham số số II Antenna inductance NMHA trường điện môi ES = 1,1(EL + space EU ) ES = 1,3(E Free Human body L + EU ) Free Human body ES E=S =2,15E ESL = L 1.1(ELL + EU) 1.3(E + E2,15E ES =space U) = 1.1(E + ) = 1.3(E E E E α =ES0,21 α = 0,21 S L E =U 2.15E S L + EU) = 2.15EL S L γ =α 7,66 γ = 2,47 = 2.15E = 2.15E E E S L S L = 0.21 α = 0.21 α = 0.21 γ = 7.66 γ = 7.66 α = 0.21 γ = 2.47 γ = 2.47 +Q Có thể tìm tồn điện tích Q ăng-ten theo cơng thức (3.11) dBJ/m Ở trên, γ ký hiệuW cho mối quan hệ tổng lượng điện dự trữ W dBJ/m W ε0 Thông qua sử dụng liênăng-ten hệ riêngThông điện Q, điện C riêng dựgiữa trữ W lượng điện bênmối qua tích sử dụng mối dung liên hệ -21.3 W điện tích Q, điện dung C dự trữ lượng điện W-21.3 e , từ điện dung C -Q lượng điện We , từ điện -14.4dung W-16.4 C NMHA xác định W định Dự trữ lượng điện We tính theo cơng NMHA xác -16.4 -14.4 -21.3 N thức = đây: W Dự trữ lượng điện We tích lũy tụ điện bao gồm điện tích +Q Rl (Ω) N=7 0.6 e in in out out b) scle (b) In free space (b) –Q, tính theo cơng thức ns (a) Inside human muscle (b) In free (a) space Q2 We = đây: 2C (b) -21.3 (3.12) A in Fig is shown Qnăng Hình 3.6 bàyenergy việc ước (a) lượng lượng(b)của NMHA, We ký hiệu Fig 9.trình (a) Electric distributions and (b) tổng Average energy density (3.12) W = on in free space is e ibution of structure A in Fig.trữ is shown lượng tổng dự ăng-ten, W ký hiệu 2C in Fig (a) Electric energy distributions and (b) Average energylượng density bên –Q are similar in the E-field distribution in free space is ăng-ten, W lượng vùng điện tíchof QQ lượng bên ngồi ăngFig 7(a) is of that+Qtheand –Q Qderive Toare thebày (C), the relation a stored existence similar incapacitance Hình 3.9 trình việc ước lượng tổng and lượng NMHA, We ký le becauseten of the ký hiệu W Có thể tính tốn W thơng qua mối quan hệ với W có sử electric energy (W ) of the next equation is used out e arkable difference in Fig 7(a) is that thee To derive the capacitance (C), the relation of Q and a stored in rmittivity value By icted inside a capsule because the lượng hiệu tổng dự oftrữ Win iský Q energy (We) ofăng-ten, the next equation used.hiệu lượng bên quation, thedụng stored giá trị γ sau:electric We  (9) capsule by a large permittivity value By C n: We = γWin = γ (3.13) Q ε0 EL dv orem of Maxwell’s equation, theW stored ăng-ten, We  tích Q lượng(9)bên ngồi Q lượng vùng2điện Here, explanations of the stored energy are shown in Fig (a) W C e following E dS expression: (6) indicates the total energy of the antenna Wout and Win represent the SL L củaGiá ăng-ten ký hiệu làtrong W Bởi respectively of W nhỏ cho tính tốn trị γ trình Bảng 3.1 tìm cách tổng outexplanations Q stored Here, the energy are shownnên in Fig.trong 9tính (a) Wtốn e energies outsidebày and inside an antenna, WQ indicates thecách ES dS EU dS   E L dS (6) indicates the total energy of the antenna W and W represent the SUnăng out in on theside surface, lượng W vàQdự lượng bênenergy Winis We chia thành ba Senergy ine the area.trữ The calculated electrical density L thể bỏ qua giá9(b) trị Because Năng lượng bên respectively NMHA chủ yếu energies outside and inside an antenna, WQ indicates the Win pectively, ascó shown shown in Fig thevới energy density corresponding to W Q phần lượng khác phân bố mật độ lượng istrình bày ate the electric fields on the side surface, energy in the Q area The calculated electrical energy density rea is expressed by is very small, WQ is neglected Therefore, the main part of the Hình 3.6b Tổng tính từ mật độWnăng lượng Từ Hình 3.9b, trị shown W gầnWBecause với giáaverage trị ebằng ks of the cylinder, respectively, asgiá shown out becomes in Vì in lượng Fig 9(b) the energy density corresponding to thế, WQ là: electric energy inside the antenna Wđược the in From ness of the charge area is expressed very WQ is the neglected Therefore, energy density ofbyFig is9(b), the small, Wout is almost same as the Win As the main part of the tính lượng tổng W NMHA thơng qua hệ với implified as follow: electricby energy inside the antenna Winmối Fromquan the average a result, We can be expressed Wein with the coefficient γ: becomes 16 (7)toán energy density of Fig 9(b), the Wout is almost the same as the Win As ăng-ten có sửbydụng γ can W beL2dv expressed Win withgiá the trị coefficient γ: biểu thức sau: We a result, W in  EHE D (dự ELL+Etrữ EUU)) lượng bên (7) (10) in  We 0E 1.3(E S  S = n result of Fig 7(a)   Hence, Equatio radiation performa deviation of 30 % antenna performanc 50 maximum deviation Calculation results also prove that the Eq.(9)1.2 of 30 % Meas N = antenna performance increases when its dimension increases.A A Sim 500.9 D N = Công thức (2.9) A N=7 Mô 400.6 10 0.9 B N=5 20 10 10 N=7 5: Comparisons resistance in free space 0.010FIGURE 0.015 0.020 of NMHA 0.025 input0.030 B When Equations (6),(7),(8) were investigated, by using 0.3 H/ λ 0.0 Equation input0.015 resistance of NMHA 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 FIGURE 6: Comparison oftheNMHA efficiency 0.005 (5), 0.010 0.020 0.025is relatively 0.030 accurate Figure illustrates the comparison of NMHA input λ antenna The relationshipresistance betweeninantenna structures and 0.0 H/λ free space It isH/clear that the simulation and 0.005 vào 0.010 0.015 0.020 0.025 FIGURE of NMHA efficiency efficiency0.030 are shown in Figure 7.6: Comparison AsHiệu observed, NMHA FIGURE 5: Comparisons NMHA input resistance in free space equation resultsb) are nearly identical Therefore, Equation is a) ofTrở suất achieves relativelyreliable, high even isits size with the deviation less thanisstructures 13very % and antenna The performance, relationship between antenna When Equations (6),(7),(8) were investigated, H/byλ using small NMHA, Figurein 7Figure is the basis to efficiency As comparison observed, NMHA FIGURE 5: Comparisons of NMHA input resistance in freeWhen space designing In orderareto shown confirm the results 7.of the between Equation (5), the input resistance of NMHA is relatively determine antennaachieves radiationrelatively efficiency highsimulations, performance, its size very the equation (5) and the even structures of isantenna, accurate Figure illustrates comparison of NMHA WhentheEquations (6),(7),(8) wereinput investigated, by using small When designing NMHA, Figure is the basis to resistance in free space It is clear that the simulation and Equation (5), the input resistance of NMHA is relatively determine antenna radiation efficiency equation results are nearly identical is of NMHA input accurate Figure Therefore, illustratesEquation the comparison reliable, with the deviation is less % It is clear that the simulation and resistance in than free 13 space equation results are nearly identical Therefore, Equation is In order to confirm the results of the comparison between reliable, with the deviation is less than 13 % the equation (5) and simulations, the structures of antenna, In order to confirm the results of the comparison between the equation (5) and simulations, the structures of antenna, D B N=7 0.6 B 0.005 0.015 0.020 0.025 0.01 FIGURE 0.3 0.010 30 B 0.005 300.3 20 N 0.0 =7 0.005 E S 40 The relationship efficiency are sho achieves relatively small When desig determine antenna r B Q Figure shows obtained by simula structure B, the d equation results is th Equation (9) is equa by simulation is equ between the anten simulation is 1.87 % B has the largest de 0.030 Q e C Investigating efficiency Eq.(5) Hình 2.2: Kết so sánh hiệu dụng công thức radiationsử performance Sim in free space with the H/λ α = 0.650 FIGURE 4: Comparison of0.4 NMHA ohmic resistance in free space 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 between the equation results and the simulation results 40 1.5 H/λ CôngFIGURE thức (2.5) 4: Comparison of NMHA ohmic resistance in free space Mô phỏngbetween the equation results and the simulation results 30 1.2 Đo kiểm 1.5 N = A Eq.(5) Sim 0.9 20 1.2 Meas D N=5 A ASSUMPTION PARAMETERS PARAMETERS không gian tự ASSUMPTION NMHA môi In very small str the NMHA structur radiation resistanc transmission line (5 η (%) H/λg 40 0.10 0.20 0.10 RA (Ω) 0.15 η (%) N=9 0.10 N=7 80 40 40 120 η (%) N=9 H] H] 0.20 80 80 N=7 40 N=7 120 Rl (Ω) 80 N=7 N=7 2,15EL N=9 160 RA (Ω) 120 N=9 160 Rr () N=7 E [kV/m] E [kV/m] E [kV/m] 120 160 ES ES 200 2.15EL resistance by Equation equals Ω, to 0.676 Ω, and the results are nearly the same between the measurement andobtained the equation results(8) is 0.073 appropriate value of α Equation (8) gives correct results at α which equal to 0.021 λ, was fabricatedequals and measured With ohmicisresistance obtained simulation corresponding to about 8.2 % Hence, theby equation (5) is to 0.616 Ω The λ, the difference the resistance in free structure With structure A, at N = Figure 5, HA =40.03 is obtainded as = 0.6 illustrates the NMHAofohmic D,isthe result of input resistance (RA)9.8 difference 0.06 Ω, corresponding to about % Therefore, confirmed result (8) of simulation 0.871 Ω, result equation (5)to space results Due tois very small The structures, simulation and the equation the largest ohmic Rl is very small follows: the Equation is relativelyis accurate, then itofcan be used results bytoadopting equation iscalculate 0.961 Ω, result is 0.888 The difference about 0.5with Ω todeviation 1.2 Ω, with resistance obtained byCalculation Equation (8) equals 0.676 Ω,theand the andInsimulation very small structures, Rthe A is measured ohmic resistance ofΩ.less than 10 % results are nearly the same between the measurement and the equation results is 0.073 Ω, ohmic 0.5resistance obtained by simulation equals to 0.616 Ω The the NMHA structure is0.9about 0.005 λ to 0.03 λ Hence, the corresponding to about 8.2 % Hence, the equation (5) is radiation ofresistance is much smaller than that of the difference is 0.06 Ω, corresponding to about 9.8 % Therefore, A the difference the With Công thức (2.6)structure (2.7) A, at N = 5, HA = 0.03 λ, Công thức (2.8) confirmed transmission line (50 Ω) the Equation (8) isMôrelatively accurate, it can be used simulation and the then equation results is theto largest The ohmic Mô 0.4 ohmic resistance calculate with obtained deviationbyofEquation less than(8) 10 equals % to 0.676 Ω, and the resistance In0.8 very small structures, RA is about 0.5 Ω to 1.2 Ω, with Investigating for calculating NMHA structure is about 0.005antenna λ to 0.03 λ Hence, the ohmic resistance obtained by simulation equals C to 0.616 Ω The theequations 0.9 N = is 0.06 Ω, corresponding to about 9.8efficiency difference % Therefore, radiation resistance is much smaller than that of the Eq.(8) 0.3 0.7 line (50 Ω) N = the Equation (8) is relatively accurate, then it can be used to transmission Figure shows the radiation performance of NMHA Sim calculate ohmic resistance with deviation of less than 10 % 0.8 obtained by simulation and Equation (9) in free In C Investigating equations forspace calculating antennaA 0.9 0.2 0.6 structure B, the efficiency difference between the simulation and Eq.(8) equation results is the largest Antenna efficiency obtained by 0.7 B 6%,shows N=7 the efficiency radiation performance of NMHA Sim Equation (9) is equalsFigure to 8.07 Antenna obtained N=5 0.8 0.5 0.1 obtained by simulation andthat Equation (9) in free space In N=7 by simulation is equals to 6.20 % It means the deviation A structure B, the difference between the simulation and 0.6 between the antenna efficiency given by equation and α = 0.6 B the investigated largest Antenna efficiency obtained by 0.7 simulation is 1.87 equation % Among all ofisthe structures, 0.4 results 0.0 N=7 Equation (9) is equals %, Antenna 0.005 0.010 0.015 0.020 efficiency 0.025 obtained 0.030 B 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 B has the largest deviation (about 30 %).to 8.07 N=5 by simulation is equals to 6.20 % It means that the deviation 0.5 A H/ λ H/  used toefficiency calculategiven NMHA Hence, Equation (9) can 0.6 between the beantenna by equation and FIGURE 4: Comparison of NMHA resistance instructures, free space radiation performance in free space with the maximum simulation is 1.87 % Among all of ohmic the investigated a) Trở phát xạ.α = 0.6 b) Trở tổn hao between equation results and the results B 0.4 B has the largestthe deviation (about 30 %) deviation of 30 % Calculation results also prove thatsimulation the N=5 0.5 1.5 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 antenna performance Hence, increases when its dimension increases Equation (9) can be used to calculate NMHA Rl (Ω) N=9 N=9 160 ES 1.3(EL+EU) 200 E [kV/m] ES 200 1,3(EL+EU) 200 εr = 53; µr = 5 Rin (Ω) NNAS ON AND PROPAGATION H/λ Hình 2.3: Kết so sánh hiệu sử dụng công thức 2.4.2 Khảo sát cơng thức tính trở tổn hao NMHA Tổng hợp so sánh tính trở tổn hao trình bày Hình 2.2b Sự sai khác tối đa khoảng 10% Tổng hợp so sánh tính trở vào trình bày Hình 2.3a Sự sai khác tối đa khoảng 13% Một cấu trúc có (N =7; H/λ=0,15) chế thử, đo kiểm có giá trị tương đồng với kết mô công thức 2.4.3 Khảo sát cơng thức tính hiệu suất xạ Kết tính tốn hiệu suất xạ NMHA theo cơng thức mơ thể Hình 2.3b Sự sai khác tối đa khoảng 30% 2.5 Kết luận chương 20 0.10 Trong chương này, tác giả đề xuất sử dụng công thức loại ăng-ten 2.4.4 Khảo sát cơng thức tính tỉ lệ xạ trục bản, khảo sát đánh giá mức độ xác cho việc tính tốn tham số Kết tính tốn AR biểu diễn Hình 2.4 Từ Hình 2.4, giá trị thu từ tính theokhi cơng giống với kết mô phỏng, sai số lớn điện củatốn NMHA làmthức việcgần khơng gianquả tự khoảng khảo sát khoảng 3% Từ khẳng định cơng thức tính trục phát International JournalCác of Antennas and Propagation cơng thức tính tốn tham số điện đề xuất sử dụng bao gồm: 0.030 B Capacitive Reactance 0.015 lệ trục xạ NMHA Kết khảo sát rõ mức độ xác η = 20% N = 10 N=5 -4 η = 10% 0.010 εr 0.010 0.015 0.020 0.025 -8 0.005 0.030 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 Một cấu H/trúc NMHA chế thử, đo kiểm cho kết tương đối H/λ λ FIGURE 7: Relationship between antenna structures and antenna efficiency of NMHA FIGURE 8: Comparison of the Axial ratio of NMHA D Investigating equations for calculating Axial ratio is very good agreement between simulation and equation results, with the maximum deviation of % Therefore, Equation (10) can be used to design NMHA Figure shows the calculated results of Axial ratio by sánh kết quảvà tỉ lệ bứcthức xạ trục qua NMHA xác Hình so với2.4: kếtSo công Thông kết khảo usingmô Equation (17) and simulation Figure shown that, there sát, giải NMHA gian tự xạ có độpháp chínhtính xác tốn cao, phù hợp sửcơng dụngthức thiếtkhơng kế, tính tốn lựa chọn 0.030 N=5 IH e 1phần Jk k phát xạ chủ yếu NMHA thành (13) thiện Mặc ( +và+ dần ) sin θ hoàn E bổ sung = dù sai số đinh so sánh kết quả, dB From Equation (10), Eθ is the radiation characteristics of small dipole, it is expressed as below: − JkR A θ J 4πϖε R3 R R Here, I indicates the antenna current, k is the wave number and R is the distance from the antenna 1/R3 and 1/R2 represent the static electric field and the inductive electric field respectively As the value of R increase, the value of 1/R2 and 1/R3 decrease rapidly 1/R denotes the far radiated electric field of the antenna By applying σ, ε and ω to Equation 13 and then transforming, we obtain the following expression for the radiation characteristics of small dipole: 2.5 0.025 Kết luận chương 2 dB N=7 D/λ dB songTrong công thức đề dB giải pháp cho 0.020 xuất sử dụng chương 2, tác giả đề xuất sử -2dụng số công thức ăng-ten -4 dB tính cho NMHA Đánh giá0.015mức độ việc tính tốn tham số N = 10 việc toán, thiết kế ăng-ten thựcxác tế cho -6 dB điện NMHA làm việc không gian tự thực thông qua 0.010 Tổng hợp công thức đề xuất khảo sát hiệu trình bày 60π IHvới sin θ mơ chế thử để khẳng định xác tin cậy Tổng soE sánh (14) =J 0.005 λR 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 hợp đề characteristics of xuất khảo sát hiệu trình bày Bảng From Equation (10),công E is the radiation Bảngthức 2.4: H/λ small loop, and it is expressed as below: 2.2: FIGURE 9: The relationship between antenna structures and axial Jϖµ INSe jk A θ φ − jkR Eϕ = ( + ) sin θ − 4π R R (15) The relationship between antenna structures axial ratio Bảng 2.2: Kết xuất vàsát hiệu tính tốncơng đốithức với NMHA Bảng 2.4: Kếtđề khảo hiệuquả quảand sử dụng By applying σ, ε and ω to Equation (15) and then transforming, we obtain the following expression for the radiation characteristics of small loop: ratio are displayed in Figure NMHA is possible to adjust its structure for achieving its directivity to meet the application Tham số When AR = Công Sai sốoftối đa requirements dB, the thức radiation components electricxạ dipole and magnetic dipole NMHA are the same Trở phát (2.6) vàof(2.7) 30% 30π INDA2 sin θ When AR > dB, the radiation component of the magnetic (16) Eϕ = λ2R Trở tổn hao (2.8)NMHA, based on 10% dipole is larger When designing the By applying Equation (14) and (16) to Equation (10) and requirement of using the electric dipole and magnetic dipole, Trở vào (2.5) 13% then transforming, we obtain the following expression for the we can use Figure to define the antenna size Axial ratio as below: Hiệu V suất xạ (2.9) 30% CONCLUSIONS Tỷ lệ xạ trục 3% Eϕ In this paper, we investigated(2.10) the equations use to design very π ND π N D2 R = Eθ A = H Aλ A = H A2 λ rL RrD (17) small NMHA (Structures of NMHA is about 0.005 λ to 0.03 λ), including self-resonant conditions, radiation resistance, input resistance, antenna efficiency, axial ratio The proposed equations at the frequency of 402 MHz are compared to the simulation results performed by FEKO simulator The results are as follows: Nội dung trình bày tác giả cơng cơng Thơng qua khảo sát, cịnchương khẳng địnhđã NMHA có hiệu suất bố làmtại việc tốt trình kể có cấu trúc nhỏ Có thể xác định thành phần xạ chủ yếu điều số danh sách cơng trình cơng bố chỉnh kích thước ứng dụng thiết kế thực tiễn 48 10 +Q EL εr ε0 N = 10 αH +Q ES EL ε0 ε0 -Q công thức áp dụng, khoảng sai số so với mô rõ 0.005 0.005 αH +Q ES đương NMHA; trở tổn hao, trở kháng vào NMHA, hiệu suất phát xạ; tỷ E-field EU dBV/m EU N=7 AR (dB) D/λ Antenna inductance Phương pháp ước lượng dung kháng XFig D nghiên cứu điều kiện không gian tự sở tượng vật lý thông qua phân bố điện từ trường xung quanh ăng-ten [36] Phân bố điện trường cấu Mô 0.020 AR = H/g η = 30% 0.20 3.4.3 Dung kháng NMHA chất điện môi N=5 η = 40% thức (2.10)nhỏ thành phần tương trở phát xạ ăng-ten lưỡng cực, ăng-tenCơngvịng 0.025 0.15 -Q -Q N=7 N=7 N=7 a) Trong chất điện môi (a) (b) gian tự b) Trong không Electricbố field distributions Inside human muscle (b) In free space Hình Fig 3.4:7.Phân điện trường (a) NMHA trúc A Hình 3.2aThe (cảelectric hai trường) trình bày fieldmơi (E) distribution of structure A in Fig Hình is shown in Fig 7(a) As a reference, the E-field distribution in free space is 3.4a Phân bố điện trường ăng-ten xác định giống với phân bố điện expressed Fig trình 7(b) The of +Q and –Qnét are rời similar trường hai điện cực +Q vàin –Q, bày existence vùng có đường in Fig 7(a) and 7(b) The remarkable difference in Fig 7(a) is that vùng cuối ăng-ten Bằng cách áp dụng định lý phân kỳ phương trình the distribution is thức: restricted inside a capsule because of the Maxwell, điện tích QE-field tính theo biểu Q E = ε0 SC E-field absorption outside a capsule by a large permittivity value By ES dS+ theorem EU dS+ EL dS divergence of Maxwell’s equation,(3.9) the stored SS SU SL charge Q is calculated by the following expression: EdS = ε0the applying Trong công thức ký hiệu vùng trình bày hình 3.4a Với DdS ES dSthức +  (3.9) E dScó +  Etính dS tốn độ dày điện tích từngQvùng hiệu=là 0αH thể E = ký ,SScông SC SU U SL L (6) thu kết sau:  ε0 πD {4αHES + D(EL + EU )} Here, E4, E , and E indicate the electric fields on QE =  (3.10) the side surface, and the upper and lower disks of the cylinder, respectively, shown Để có biểu thức đơn giản hơn, mối quan hệ ES = 1,3(ELas+ in Fig 7(a) When the thickness of the charge area is expressed by EU ) ES = 2,15EL thu dựa kết tính tốn giá trị thơng qua mô αH, the E-field in Eq (6) is simplified as follow: S U L phỏng, tổng hợp kết biểu diễn Hình 3.5  0 Dthể Bảng 3.1 Do đó, QE Sự xác giá trị tính tốn QE =này 4 HES + D( EL + EU ) (7) tính sau: (3.11) E = 0, 4ε0 πD(1, 1H + D)EL To Qobtain simpler expressions, the relations of ES = 1.3(E L + EU) and ES = 2.15EL are given based on the simulation result of Fig 7(a) The accuracies of15 these relations are expressed in Fig 8(a) and Fig 8(b) Moreover, the value α that determines the length of Q area is set to be similar to the free-space case of α= 0.21 Then QE is LH = Φ = IM µr HdS SD IM (3.3) [H] Ở cơng thức trên, IM độ lớn dòng cực đại ăng-ten với điện áp đầu vào cung cấp mức V; Φ thị cho thông lượng từ bên NMHA, thơng lượng tính tốn từ trường xuyên qua mặt cắt đĩa tròn (SD ) bên với đường kính D điểm cấp nguồn cho NMHA Phân bố dòng điện bề mặt ăng-ten NMHA với dòng cực đại IM điểm dây dẫn ăng-ten Dòng điện NMHA phân bố theo dạng hình sin cơng thức sau: I(l) = IM sin π L0 L0 − l− ( ) L0 2 (3.4) Ở đây, I(l) độ lớn dòng điểm ta xem xét dây ăng-ten; L0 tổng chiều dài dây ăng-ten Giá trị LH thu cách thay kết mơ giá trị từ trường dịng cực đại vào công thức (3.3) Đồng thời, thay giá trị cấu trúc tương ứng NMHA vào công thức (3.2) để thu LW Kết so sánh LW LH cho thấy, có tương đồng kết tốt hai giá trị LW LH Vì vậy, cảm kháng NMHA xác định công thức sau: (3.5) XL = ωLW Ở công thức đây, LW điện cảm NMHA đưa công thức Wheeler; ω tần số góc Đặc tính số sóng biểu đặc tính chất điện mơi gây nên, mơ tả cơng thức sau [74]: √ 2π k = ω µε = λg (3.6) Ở đây, k số sóng; λg bước sóng chất điện mơi Từ cơng thức (3.6), tần số góc môi trường điện môi suy sau: ω= 2π √ λg εµ (3.7) Thay cơng thức (3.7) vào cơng thức (3.5), cơng thức tính cảm kháng NMHA môi trường điện môi sau: XL = ωLW = 600π × 19.7N D εr λg (9D + 20H) [Ω] (3.8) Chương Xây dựng công thức cho thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng NMHA môi trường điện môi 3.1 Cơ sở thúc đẩy nghiên cứu Kết nghiên cứu NMHA làm việc khơng gian tự do, đánh giá có nhiều tiềm đề xuất dùng cho cảm biến vơ tuyến y tế có nhiều thuận lợi có ý nghĩa thực tiễn Việc thiết kế cấu trúc NMHA đạt tự cộng hưởng nội dung q trình thực hố đưa NMHA vào ứng dụng Đặc biệt, cấu trúc đạt trạng thái tự cộng hưởng quan trọng 3.2 Mơ hình ứng dụng tham số mơ 3.2.1 Mơ hình ứng dụng Điện mơi εr= 53 z  μ r= σ = 0,89 S/m 30 mm y x  30 mm H Eφ Hình 2.1 NMHA mơ đặt thể người Hình 3.1: Ứng dụng hìnhcơmơ Để phùMơ hợphình vớimơ ứng dụng luậndùng án, giả thiết kế đơn cho giản NMHA củacủa NMHA trongsửcơq thể trình người kích thước nhỏ làm việc cảm biến vô tuyến y tế đặt cánh tay người hóa dùng mơ điện tử FEKO 7.0 trình bày hình 2.2 NMHA đặt Ứng dụng mơ hình tương đương trình bày Hình 3.1 mơi hình trụ với kích thước 60 x 60 mm, điện mơi với 3.2.2bênTham sốkhối môđiện Tham số giống dùngnhư cholà mô đểthể khảo sátăng-ten làm lựa việc chọn để kết đặc tính mơ thịt người, tạivà tầnso số sánh 2.4 GHz đạt xáccho H, D, N lầnlàlượt ký hiệu giá (trình trị chiềubày cao,như đường kính Phụ số lục vịngB) dây ăngVềten mối quan hệ bước sóng mơi trường điện môi không Một lớp đệm không khí bao quanh ăng-ten để ngăn cách ăng-ten lớp gian tự biểu diễn qua công thức sau: điện mơi có độ dày khoảng mm để tránh cho q trình mơ bị lỗi Đặc tính λ0 (3.1) g = √ trường điện từ NMHA đặtλtrong mơi điện mơi tính tốn εr µtrường r phương pháp mô điện tử MoM FEM Như giải thích phần trước, MoM Vì vậy, độ dài bước sóng mơi trường điện mơi λg = 102 mm bắt nguồn từ việc tính tốn nguồn dịng bề mặt dây dẫn anten bề mặt 14 11 pháp tính tốn khơng gian trường chất điện mơi, FEM lại phương điện từ Trong MoM, bề mặt anten bề mặt chất điện môi chia thành lưới nhỏ dạng tam giác Trong FEM lại phương pháp tính tốn the electromagnetic simulations shown In thesimulations simulations, and Ininthe human muscleHcondition determined theare electromagnetic areHshown simulations, and inare human muscle condition are determined D are adjusted to achieve resonance at 315 MHz for a given N value D are adjusted to achieve resonance at 315 MHz for a given 0.16 N value 0.16 This frequency is selected for thefrequency application of a Tire This is selected for Pressure the application of a Tire Pressure = trúc NMHA 3.4 Đề xuất công thức thiết kế Ncấu N = môi 3.3 ẢnhSystem hưởng[10] The chấtself-resonant điện môi tới cấu trúc cộng 0.14 Monitoring structural curves by hưởng Eq structural curves0.14 Monitoring System [10] The self-resonant by Eq trường điện môi có độ điện thẩm thay đổi NMHA (2) and those of the simulations very of well 0.12 (2)agree and those the simulations agree very well 0.12 A công Khi NMHA làm việc môi trường điện môi, chắn chịu ảnh 3.4.1 Cơ sở lý thuyết cho đề xuất A N =thức N=7 0.10 Kết khảo sát cho 0.10 thấy, tham số NMHA chiều cao H 3.3.1 Cấu trúc cộng hưởng phụ thuộc vào độ điện dẫn (σ).N = N = 10 0.020 0.08 0.06 0.04 N = 10 0.020 N=5 0.16 N=7 0.015 N =9 0.14 N = 15 0.16 N=5 N=7 N=9 0.02 0.02 3.4.2 0.05 Cảm kháng0.10 NMHA0.15 chất0.20 điện môi 0.05 0.10 H/g 0.15 0.20 r D/g H/g Phân bố từ trường (H) cấu trúc A Hình ?? có N = 7; H/λg = 0,15; 0.14 N=5 N=5 D/λ = 0,097 trình bày Hình 3.3a Phân bố inside trườnghuman xung quanh  = 80  = 80 g 0.12 0.010 0.12 0.010 Fig Resonant structures of NMHA inside structures human muscle Fig Resonant of NMHA muscle ăng-ten xác giống kiểu phân bố trường nam châm có cực bắc 0.10 f = 315 MHz;0.10 εr = 1; µr =0.101 f = 315 =MHz; εr =1; µr = 53 = 53 0.005 NA= A N=7 0.08 0.005 0.08 cực nam Lúc này, NMHA có tính chất giống cuộn dây vô tuyến 0.02 0.04 0.06 0.08 0.020.10 0.04 0.06 0.08 0.10 0.08 B B 0.06 0.06 Phương trình thựcOFnghiệm cho D tính cảm kháng WheelerEđược nghiên N=9 N=9 W IV DERIVATION SELF-IV RESONANT EQUATION ERIVATION OF SLELF -RESONANT QUATION H/ H/  = 10  = 10 0.04 0.06 0.04 cứu từ sớm cuộn dây dạng hình ống Cơng thức trình Fig 2.= 53;Self-resonant structures of Fig antenna in a free f = 402 MHz 0.02 space  = 53; f = 402 MHz 2.0.02Self-resonant structures ofMHz a free space To obtain the self-resonant equation, expressionsequation, for inductive  =  f = 402 obtain thethe self-resonant the expressions for inductiv antenna =  f = 402in MHz bày sau [36], To [50]: E-field 0.04 D/g 0.10 =  =  0.015  =  N = 15 r r r r r r r and capacitive reactance and are capacitive derived inreactance similar methods used for 19.7N D2 are−6derived in similar methods used f × 10 [H] (3.2) L = W obtaining the structural equation in the freestructural space [8] obtaining equation in free space [8] E-field 9D + 20H dBV/m b) Phụ thuộc độ điện thẩm a) Phụ thuộc độ điện dẫn III SELF-RESONANT STRUCTURES AH UMAN BODY CONDITION III.CôngIN SthứcELF -RESONANT STRUCTURES IN A HUMAN BODY CONDITION Công thức 0.14 0.14 Mô Mô chắn A giáInductive trị công thức Wheeler trường hợp NMHA đặt Reactance Reactance Hình 3.2: Sự phụ 0.12 thuộc cấu0.12trúc tự cộng hưởng vào môi trường điện môi A Inductive Để  = 53 A Simulation Model  = 53 A Simulation Model H-field 0.10 0.10 0.150.10 H/g 0.200.15 H/g dBV/m0.10 0.20 r 0.10 0.15 0.10 H/g 0.20 0.15 0.20 H/g r dBA/m D/g ba trường hợp, 0.08 cấu trúc NMHA gần the antenna’s trùng khớp, không 0.08 antenna’s ToTrong investigate the self-resonant structures inside the có structures inside the To investigate self-resonant thaybody, đổi Vìelectromagnetic vậy,0.06có thể khẳng định độ điện dẫn conducted môi trường điệnamôi are conducted using a human are using 0.06 human body, simulations simulations = 10 = 10 electromagnetic không làm ảnh hưởng tới cấu trúc cộng hưởng ăng-ten 0.04 structural model as shown in0.04Fig A NMHA put in in a capsule structural model asisshown Fig Aand NMHA is put in a capsule and H H I I 0.02 embedded inside a cylinder with dimensions of inside a cylinder with dimensions of 0.02 embedded 3.3.2 Cấu trúc NMHA phụ thuộc độ điện thẩm  = 0,89; fvào = 402 MHz  = 0,89; f = 402 MHz 0.00 60 mm × 60 mm The simulation parameters in Table I × 0.20 60 mm.are Theshown simulation parameters are shown in Table I 0.00 60 mm 0.10 NMHA 0.15 0.10 0.15đổi độ 0.20 Kết cấu trúc thay điện thẩm môi trường The cylinder’s dielectric constants of ε = 53 and µ = are selected The cylinder’s dielectric constants of ε = 53 and µr = areNselected r g r r H/g =7 NN= =7 N=7 bao quanh ăng-ten thể HìnhH/3.2b Dễ dàng nhận thấy, cấu trúc based on the fabricated phantom human musclephantom [11] Copper basedofona the fabricated of a human muscle [11] Copper NMHA thay đổi εr thay đổi Cụ thể hình cho ta thấy, đường 6 (a)(b) (b)gian tự (a) material used for antennaσwire conductivity σ = x 10 material is used for antenna wire with isthe conductivity = 58with x 10the b) Trong không a) 58 Trong chất điện mơi kính NMHA tăng lên (D/λg tăng lên) với tăng lên εr Sự tăng A frequency 402 MHz foris biomedical applications is Fig Magnetic [1/Ωm] A frequency of 402[1/Ωm] MHz for biomedicalof applications distributions (a) Inside A human (a) Insidefield human muscle (Structure in muscle (Structure A lên đường kính NMHA xuất phát từ cơng thức (3.1) tính độ dài bước sóng Fig Magnetic field distributions Hình 3.3: bố từ trường NMHA selected based onself-resonant Ref [4] From simulations,Fig self-resonant structures selected based on Ref [4] From simulations, structures 4) and (b)Phân Free space 4) and (b) Free space Fig chất điện môi Khi εr tăng lên làm cho λg giảm xuống làm of NMHA in human muscle condition will be investigated oftrong NMHA in human muscle condition will be investigated cho D/λg tăng lên môi trường điện môi phù hợp, kết cơng thức (3.2) so Vì vậy, cấu trúc NMHA thay đổi tỷ lệ thuận với thay đổi độ điện The magnetic sánh field với kết quảdistribution pháp lý thuyết kết hợp mô định4 (N = Thephương magnetic field (H) A distribution structure in Fig (H) of structure in Fig of (Nphỏng = 7; trongAxác thẩm môi trường điện môi LH tính theo biểu thức As sau:a reference, th H/isλăng-ten = 0.15;Điện λcảm 0.097) in Fig 5(a) H/λg = 0.15; phần D/λg tự = cảm 0.097) inD/Fig Asis ashown reference, the gshown g = 5(a) Capsule distribution in free Capsule H-field free 5(b) spaceBecause is shownthe in Fig 5(b) Because th H-field space distribution is shown ininFig r 12 r 13 distributions in the two cases are insignificantly different, th H-field distributions in theH-field two cases are insignificantly different, the 0 30 mm 0 30 mm free-space equations to inside free-space equations are applicable to inside are the applicable human body case the human body cas empirical(L equation for inductance (LW) by The empirical equation forThe inductance equation is Wheeler’s equation W) by Wheeler’s D/g D/g 0.12 D/g 0.14 D/ D/ Sim 0.030 Kết khảo0.030 sát thay đổi cấu trúc cộng hưởng độ điện dẫn củaSim Eq môi trường điện 0.025 môi bao quanh ăng-ten thay đổi0.025 tổng hợp trình bàyEq Hình 3.2a = 0.14  =   =  0.12 = sóng vật liệuNđiện đường kính D mối quan hệ với độ dàiN bước = mơi 0.08 0.08 λg có ý nghĩa tới cấu trúc cộng hưởng 0.06 0.06 nên nhỏ số vịng dây ăng-ten N tăng Đường kính D NMHA trở lên Điều sở để giải thích 0.04 0.04 phụ thuộc thành phần cảm kháng XD f = 402 MHz;vòng εr = 53; = 1và fsố dung kháng XL vào đường kính dâyµr D vịng dâyεrN= 53; củaµrNMHA = 402 MHz; =1 D/g 0.035 N=5 D/g 0.040 số đặc tính mơi trường hưởng lớn tham Đánh giá mức độ ảnh 0.040 hưởng tới cấu trúc tự cộng hưởng cần thiết xây dựng công thức 0.035 r r M M ... Đề xuất cơng thức tính tốn sử dụng để phân tích thiết kế ăng- ten NMHA kích thước nhỏ cho thiết bị cảm biến vô tuyến đặt thể người - Đề xuất công thức ăng- ten (ăng- ten lưỡng cực, ăng- ten vòng)... NMHA có kích thước khoảng 1/100 bước sóng dùng khơng gian tự [28], [30], [35] Do đó, tác giả lựa chọn thực đề tài "Nghiên cứu ăng- ten xoắn kích thước nhỏ dùng cho cảm biến vô tuyến đặt thể người" ... nhiều cơng trình [51]-[64] Thiết bị cảm biến y tế khơng dây thể người u cầu ăng- ten có kích thước nhỏ, điều nằm yêu cầu chung cần giảm nhỏ thiết bị cảm biến y tế Đối với ăng- ten điện có kích thước