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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH PGS TS ĐỖ QUỐC TRINH HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết sử dụng tham khảo trích đầy đủ theo quy định Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Đặng Tiến Dũng LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành Luận án này, tác giả nhận nhiều giúp đỡ hướng dẫn quý báu Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy giáo hướng dẫn PGS TS Nguyễn Quốc Định PGS TS Đỗ Quốc Trinh Khoa Vô tuyến - Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân Đồng thời tác giả vô biết ơn giúp đỡ lớn lao GS.TS Yoshihide Yamada Các thầy ln động viên, tận tình giúp đỡ dành điều kiện tốt cho nghiên cứu sinh trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn thầy cô giáo, Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến - Điện tử, nơi nghiên cứu sinh học tập tiến hành nghiên cứu khoa học quan tâm, chia sẻ giúp đỡ điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu khoa học Tác giả chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện KTQS, Trường Sĩ quan Thông tin, Binh chủng Thông tin liên lạc nơi nghiên cứu sinh cơng tác giúp đỡ, tạo điều kiện cho trình học tập nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn nghiên cứu sinh, nhóm nghiên cứu ăng-ten siêu cao tần phịng thí nghiệm Khoa Điện - điện tử, Đại học Phòng vệ Nhật Bản có nhiều góp ý, hỗ trợ đo kiểm để tác giả hoàn thành luận án Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ biết ơn gia đình, người yêu thương ủng hộ, động viên, sẻ chia khó khăn suốt thời gian vừa qua MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC KÝ HIỆU - Ý NGHĨA viii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CẢM BIẾN VÔ TUYẾN TRONG Y TẾ 1.1 Tổng quan thiết bị cảm biến vô tuyến dùng y tế 1.2 Định nghĩa ăng-ten kích thước nhỏ 12 1.3 Các cơng trình nghiên cứu, đề xuất sử dụng ăng-ten kích thước nhỏ thiết bị cảm biến vơ tuyến cho y tế có liên quan 14 1.4 Tiêu chuẩn khuyến nghị sử dụng thiết bị cảm biến vô tuyến dùng y tế 24 1.5 Lựa chọn giá trị mô dùng cho mô thực nghiệm 26 1.6 Lựa chọn phần mềm, xác định phương pháp mô 28 1.7 Kết luận chương 31 Chương ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG CƠNG THỨC CHO TÍNH TỐN THAM SỐ ĐIỆN CỦA NMHA KHI LÀM VIỆC TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 33 2.1 Các nội dung NMHA 33 2.2 Tham số mô NMHA hoạt động không gian tự 38 2.3 Đề xuất sử dụng cơng thức để tính tốn tham số điện NMHA 39 2.4 Khảo sát kiểm nghiệm công thức đề xuất 40 2.5 Kết luận chương Chương 48 XÂY DỰNG CÔNG THỨC CHO THIẾT KẾ CẤU TRÚC TỰ CỘNG HƯỞNG CỦA NMHA TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI 49 3.1 Cơ sở thúc đẩy nghiên cứu 49 3.2 Mơ hình ứng dụng tham số mô 50 3.3 Ảnh hưởng chất điện môi tới cấu trúc cộng hưởng NMHA 52 3.4 Đề xuất công thức thiết kế cấu trúc NMHA mơi trường điện mơi có độ điện thẩm thay đổi 55 3.5 Kết luận chương 68 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MƠI TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA NMHA VÀ QUY TRÌNH - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 69 4.1 Cơ sở nghiên cứu 69 4.2 Khảo sát ảnh hưởng môi trường điện môi tới đặc tính điện NMHA 70 4.3 Chế tạo đo kiểm NMHA chất điện môi 80 4.4 Kết luận chương 91 ĐÓNG GÓP VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 92 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 95 PHỤ LỤC A 97 PHỤ LỤC B 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh ASGE Nghĩa Tiếng Việt American Society for Gas- Hiệp hội nội soi tiêu hóa Mỹ trointestinal Endoscopy AR Axial Ratio Tỉ lệ trục xạ BW BandWidth Băng thông ESAs Electrically Small Antennas Ăng-ten điện kích thước nhỏ ERP Equivalent Radiated Power Cơng suất xạ tương đương EIRP Equivalent Istropic Radiated Công suất xạ đẳng Power ETSI FEM European hướng tương đương Telecommunica- Viện Tiêu chuẩn Viễn thông tions Standards Institute Châu Âu Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD FDA Finite Difference Time Do- Sai phân hữu hạn miền thời main gian Folded Dipole Antenna Mẫu ăng-ten lưỡng cực gấp khúc GO Geometrical Optics Quang hình học IDM Implantable Medical Devices Thiết bị y tế cấy ghép ISM Industry System Medical ITU-R International Telecommuni- Liên minh viễn thông quốc tế Hệ thống y tế công nghiệp cation Union – Radiocom- - Thông tin vô tuyến munication ii METAIDS Meteorological Aids Service Dịch vụ hỗ trợ thơng tin khí tượng MICS Medical Implant Communi- Hệ thống truyền thông y tế cation System MLFMM cấy ghép Multi-Level Fast Multi-Pole Phương pháp đa tốc độ, đa Method mức MoM Method of Moment Phương pháp mô-men NMHA Normal-Mode Helical An- Ăng-ten xoắn chế độ thường tenna PO Physical Optics Quang lý học PIFA Planar Inverted F Antenna Ăng-ten phẳng dạng chữ F ngược RFID Radio Frequency Indentifica- Hệ thống nhận dạng vô tion tuyến RWS Radio Wireless Sensor Cảm biến không dây SAR Specific Absorption Rate Tỷ lệ hấp thụ riêng SDA Straight Dipole Antenna Ăng-ten lưỡng cực phẳng SEP Surface Equivalence Princi- Nguyên lý bề mặt tương ple TPMS Tire đương Pressure Monitoring Hệ thống giám sát áp suất System lốp xe ô tô UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng VSWR Voltage Standing Wave Ra- Hệ số sóng đứng điện áp tio UTD Uniform Theory of Diffrac- Lý thuyết đồng nhiễu xạ tion VNA Vector Network Analyzer Phân tích mạng véc-tơ WCE Wireless Capsule Endoscopy Viên nhộng nội soi khơng dây iii DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Chức loại thiết bị cảm biến thể người 1.2 Ứng dụng thiết bị điện tử y tế đặt thể người 10 1.3 Thiết bị cảm biến y tế 11 1.4 Phân bố trường xạ quanh ăng-ten 13 1.5 Đặc tính xạ ăng-ten nhỏ 14 1.6 Cấu tạo lớp mô cánh tay 28 2.1 Cấu trúc NMHA 34 2.2 Cấu trúc tương đương NMHA 36 2.3 So sánh kết tính theo cơng thức, mơ đo kiểm cấu trúc tự cộng hưởng NMHA không gian tự 37 2.4 So sánh kết trở kháng phát xạ NMHA 41 2.5 So sánh kết tính tốn trở tổn hao NMHA không gian tự 42 2.6 So sánh kết trở vào NMHA 43 2.7 So sánh kết hiệu suất NMHA 44 2.8 Mối quan hệ hiệu suất xạ với kích thước NMHA 45 2.9 So sánh kết tỉ lệ xạ trục NMHA 47 2.10 Mối liên hệ tỉ lệ trục xạ với kích thước NMHA 47 3.1 Ứng dụng mơ hình mơ 51 3.2 Sự phụ thuộc cấu trúc NMHA vào độ điện dẫn 53 3.3 Sự phụ thuộc cấu trúc NMHA vào độ điện thẩm 3.4 Phân bố từ trường NMHA 56 3.5 Phân bố dòng điện NMHA 57 3.6 Điện cảm NMHA 58 iv 54 3.7 Phân bố điện trường NMHA 59 3.8 Mối quan hệ giá trị điện trường bề mặt NMHA 61 3.9 Phân bố mật độ lượng 63 3.10 Kết tính dung kháng cảm kháng 65 3.11 So sánh cấu trúc cộng hưởng công thức mô 66 3.12 Kết cấu trúc cộng hưởng NMHA H/λg ≤ 0,10 67 4.1 Rant Rl NMHA 71 4.2 Hiệu suất NMHA 71 4.3 Băng thông NMHA 72 4.4 Phẩm chất NMHA 73 4.5 Đồ thị xạ NMHA 73 4.6 Trở vào NMHA 74 4.7 Hiệu suất NMHA 75 4.8 Băng thông NMHA 76 4.9 Hệ số phẩm chất Q NMHA 76 4.10 Đồ thị xạ NMHA 77 4.11 Trở kháng vào NMHA 77 4.12 Phân bố trường điện từ vùng gần NMHA 78 4.13 Rin NMHA thay đổi theo σ εr 79 4.14 Chế tạo NMHA 85 4.15 NMHA đặt chất điện môi 85 4.16 Thực nghiệm đo trở kháng vào NMHA VNA 86 4.17 Trở kháng vào NMHA môi trường điện môi 86 4.18 Kết độ rộng băng thông NMHA 87 4.19 Đo kiểm trường xạ 88 4.20 Bức xạ mặt phẳng xy mẫu (σ = 0,15) 89 4.21 Bức xạ mặt phẳng yz mẫu (σ = 0,15) 89 4.22 Bức xạ mặt phẳng xy mẫu (σ = 0,89) 90 4.23 Bức xạ mặt phẳng yz mẫu (σ = 0,89) 90 B.1 Kết thu trở kháng vào 99 v B.2 Kết tính tốn phân bố dịng điện ăng-ten 100 B.3 Kết so sánh cấu trúc tự cộng hưởng ăng-ten B.4 So sánh trở kháng vào cấu trúc A B 100 101 B.5 Phân bố từ trường vùng gần 102 B.6 Phân bố điện trường vùng gần 102 B.7 Trở kháng vào 103 B.8 Đồ thị xạ 3D (Gϕ ) 103 B.9 Đồ thị xạ 2D (Gϕ ) 104 B.10 Đồ thị xạ 3D (Gθ ) 104 B.11 Đồ thị xạ 2D (Gθ ) 104 vi ... anten ăng- ten Hình siêunhỏ nhỏ 1.3 Các cơng trình nghiên cứu, đề xuất sử dụng ăng- ten kích 2.4 Kết nghiên cứu trước anten ứng dụng thể người thước thiết cảm tuyến choliên y tục tế có Các ứngnhỏ... chung thiết cho thiết bị cảm nghiên cứu, thiết kế Sơ ăng- ten cho cảm biếncủa không dây kế dùng thể người .biến Yêu đặt cầu quan trọng ăng- ten phải có kích thước nhỏ để phù hợp thể người trình... Chương TỔNG QUAN VỀ ĂNG -TEN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CẢM BIẾN VƠ TUYẾN TRONG Y TẾ 1.1 Tổng quan thiết bị cảm biến vô tuyến dùng y tế 1.2 Định nghĩa ăng- ten kích thước nhỏ