Đề xuất tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng trong hệ thống WCE

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đề xuất tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng trong hệ thống WCE trình bày tính toán các tham số của anten xoắn chóp hiện đang sử dụng cho hệ thống nội soi bằng viên nang không dây (WCE) và đề xuất cấu trúc của tổ hợp gồm 1 anten chấn tử không đối xứng (do đặt trên mặt phản xạ) và 1 anten xoắn phẳng có kích thước siêu nhỏ (cỡ 0,01λ) sử dụng tốt hơn cho WCE.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề xuất tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng trong hệ thống WCE

10 Phan Trọng Đức, Hoàng Đình Thuyên ĐỀ XUẤT TỔ HỢP ANTEN CHẤN TỬ KHÔNG ĐỐI XỨNG VÀ ANTEN XOẮN PHẲNG TRONG HỆ THỐNG WCE RECOMMENDED COMBINATION WITH ASYMMETRICAL ANTENNA AND FLAT CURLY ANTENNA IN THE SYSTEM WCE Phan Trọng Đức, Hoàng Đình Thuyên Học viện Phòng không Không quân; phanducncs32@gmail.com Tóm tắt - Trong bài báo này, tác giả tính toán các tham số của Abstract - In this paper, the author calculates the parameters of anten xoắn chóp hiện đang sử dụng cho hệ thống nội soi bằng viên helical tip antenna which is used for endoscopic systems by nang không dây (WCE) và đề xuất cấu trúc của tổ hợp gồm 1 anten wireless capsule (WCE) and proposes structure of the consortium chấn tử không đối xứng (do đặt trên mặt phản xạ) và 1 anten xoắn including 1 trauma antenna element 1 which is not symmetric (due phẳng có kích thước siêu nhỏ (cỡ 0,01λ) sử dụng tốt hơn cho on the reflector) and 1 flat helical micro-size antenna (size 0.01λ) WCE. Với cấu trúc anten đề xuất, tác giả tính toán các tham số của for better use for WCE. With the proposed antenna structure, the anten như: hệ số sóng đứng, dải thông, hệ số tăng ích và đồ thị author calculates the parameters of the antenna, such as standing bức xạ của tổ hợp anten khi đặt tổ hợp anten trong môi trường có wave coefficient, bandwidth, gain coefficient and the graph of the tổn hao tương đương môi trường trong bộ máy tiêu hóa của con complex antenna radiation WCE placed in the abdomen người. Từ đó, thể hiện tính ưu việt của tổ hợp cấu trúc anten đã environment similar to that of the human body. Thereby, the author đề xuất so với anten xoắn chóp đơn lẻ. shows the superiority of combinatorial antenna structure over single helical tip antenna. Từ khóa - anten xoắn phẳng; anten chấn tử; mặt phản xạ; phối Key words - flat helix antenna; donnie antenna; the reflexes; hợp trở kháng; WCE. coordination impedance; WCE. 1. Đặt vấn đề bụng ra bên ngoài cơ thể con người, để truyền tín hiệu Do những ưu điểm vượt trội của thiết bị nội soi bộ máy video có độ phân giải cao do camera cung cấp qua máy tiêu hóa bằng viên nang không dây (WCE: Wireless phát RF. Anten tuy kích thước nhỏ (thường D ≤ 10 mm) Capsule Endoscopy) như: Không gây đau và khó chịu cho nhưng dải thông phải rộng, hơn nữa khi truyền sóng vô người bệnh; Chẩn đoán được các vị trí trong vùng ruột non tuyến qua các mô tế bào của cơ thể sẽ bị lệch cộng. Do vậy, có cấu tạo phức tạp [1],... Do đó hệ thống WCE đã được dải thông của anten là một tham số quan trọng giúp chẩn phát triển và sản xuất bởi các công ty Olympus (2010), đoán chính xác tình trạng bộ máy tiêu hóa. IntroMedic (2010) và Imaging Given (2010) nhằm thay thế 2. Tính toán các tham số của anten xoắn chóp hiện đang phương pháp nội soi bằng cáp sợi quang thông thường. sử dụng trong WCE Trong thiết bị WCE, một camera modul sẽ ghi hình qua một ống kính hiển vi được chiếu sáng bởi các đèn LED Hiện nay, anten sử dụng trong hệ thống WCE khá đa phía trước, tín hiệu video sẽ được một máy phát RF gửi qua dạng, ví dụ như: anten mạch dải, anten khung, anten xoắn sóng vô tuyến tần số 450 MHz ra bên ngoài thông qua một phẳng,... Anten xoắn chóp cũng đã được đề xuất bởi [3], theo anten nhỏ (Hình 1). đó mô hình cấu trúc anten có dạng như Hình 2a, đường kính lớn nhất của anten: Dmax = 8 mm, chiều cao anten: H = 7 mm, số vòng xoắn chóp: N = 5, tần số trung tâm: f0 = 450 MHz. Hình 1. Vị trí và cấu tạo của WCE Trung bình bộ máy tiêu hóa của con người dài khoảng 7 mét, dưới sự co bóp của dạ dày thiết bị WCE di chuyển hết a) b) đoạn đường trên cần khoảng thời gian khá dài (khoảng 8 giờ), do đó cần nguồn pin đủ lớn để cấp nguồn trong thời gian thiết Hình 2. Cấu trúc anten xoắn chóp và hệ số phản xạ bị di chuyển [2], toàn bộ thiết bị được đặt gọn trong một viên Theo [3], dải thông của anten xoắn chóp đề xuất có dải nang nhỏ gọn, vỏ là chất điện môi đủ cứng có tổn hao sóng thông được xác định qua hệ số phản xạ Hình 2b (khoảng điện từ thấp, chịu được sự ăn mòn của dich vị dạ dày và hình 25,6 %). dáng dễ di chuyển nhất là trong ruột non (Hình 1). Trong bài báo này, tác giả tiến hành tối ưu hóa cấu trúc Anten trong WCE đóng vai trò quan trọng trong việc mẫu anten xoắn chóp cho bởi Hình 2a. Một điểm quan truyền tín hiệu video qua sóng vô tuyến từ bên trong vùng trọng cần chú ý đó là trong toàn bộ quy trình nội soi, anten
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 11 viên nang được bao bọc bởi các mô cơ thể, do đó làm suy giảm đáng kể cường độ tín hiệu và ảnh hưởng đến bức xạ của anten. Nguyên nhân là do môi trường truyền sóng chính là môi trường điện môi có tổn hao. Để nghiên cứu những ảnh hưởng này, cơ thể con người được coi là một môi trường đồng nhất trung bình như mô tả của Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) [4]. Môi trường điện môi có tổn hao của cơ thể con người đồng nhất được thể hiện trong Hình 3, ở đó hằng số điện môi tương đối và tính dẫn điện phụ thuộc vào sự thay đổi của tần số hoạt động. Với tần số đề xuất 450 MHz, ta lựa chọn được: εr ≈ 56 và σ ≈ 0,83 S/m và khoảng cách giữa máy phát RF bên trong vùng bụng và máy thu bên ngoài cơ thể lên đến 15 cm [5]. a) Gθ b) Gφ Hình 5. Hệ số tăng ích của anten xoắn chóp trong WCE Đồ thị bức xạ 3D của anten được biểu diễn trên Hình 6, anten bức xạ gần như đẳng hướng, có dạng giống như đồ thị bức xạ của chấn tử đối xứng. Hình 3. Sự phụ thuộc của εr và σ của cơ thể vào tần số hoạt động Hình 6. Đồ thị bức xạ 3D của anten xoắn chóp trong WCE Sử dụng phần mềm FEKO [6] tính toán, mô phỏng và 3. Đề xuất tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và tối ưu cấu trúc anten xoắn chóp ở Hình 2a trong môi trường anten xoắn phẳng cho WCE điện môi có tổn hao tương đương vùng bụng cơ thể con người (εr ≈ 56 và σ ≈ 0,83 S/m) sẽ thu được kết quả là mẫu 3.1. Cấu trúc của tổ hợp nten chấn tử không đối xứng và 1 biểu diễn trong Bảng 1. anten xoắn phẳng Bảng 1. Kết quả mô phỏng anten xoắn chóp Với mẫu anten xoắn chóp ở Hình 4 tuy đã cộng hưởng và xoắn phẳng trong WCE và phối hợp trở kháng với nguồn 50Ω, nhưng chiều cao Mẫu Dmax Dmin N H f0 fmin fmax BW anten còn khá lớn (H = 7 mm). Do đó tác giả đề xuất giải [mm] [mm] [vòng] [mm] [MHz] [MHz] [MHz] [%] pháp nhằm giảm chiều cao anten xuống bằng cách bố trí 1 8 0.2 5 7 450 390 510 26,7 thêm anten chấn tử không đối xứng để tạo thành tổ hợp 2 8 2,24 2 4 450 357,1 491,6 29,9 anten. Anten xoắn phẳng sẽ bù khử phần kháng cho anten chấn tử không đối xứng. Anten chấn tử không đối xứng Từ Bảng 1, ta thấy anten xoắn không những cộng được tao ra bằng cách đặt chấn tử đối xứng vuông góc trên hưởng mà còn phối hợp trở kháng tốt với nguồn 50Ω dẫn mặt phản xạ kim loại có đường kính bằng D0 = 8 mm, khi đến dải thông đủ rộng. đó chiều cao chấn tử giảm một nửa. Tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng có dạng trên Hình 7a Hình 4. Phân bố dòng trên anten xoắn chóp trong WCE Phân bố dòng trên anten xoắn chóp có dạng như ở Hình a) Cấu trúc tổ hợp anten b) Phân bố dòng 4. Như vậy, phân bố dòng trên anten đáp ứng yêu cầu đặt ra, đạt cực đại ở giữa và giảm dần về 2 đầu của anten, do Hình 7. Tổ hợp anten chấn tử không đối xứng đó hệ số tăng ích khá nhỏ và được biểu diễn trên Hình 5. và anten xoắn phẳng trong WCE
12 Phan Trọng Đức, Hoàng Đình Thuyên 3.2. Kết quả mô phỏng RF-232, lõi được gắn với tổ hợp anten chấn tử không đối Sử dụng phần mềm FEKO [6] để tính toán và mô xứng và anten xoắn phẳng (Hình 11): phỏng, ta thu được kết quả là tổ hợp anten mẫu 2 biểu diễn trong Bảng 2 để tiện so sánh. Như vậy chiều cao anten đã giảm 2 mm, với thiết bị WCE thì đòi hỏi giảm nhỏ kích thước các thiết bị trong viên nang (trong đó có anten) rất được quan tâm, vì bệnh nhân phải nuốt viên nang vào bụng qua đường miệng và viên nang di chuyển trong ruột non khá khó khăn, nhất là trẻ em, do vậy việc giảm kích thước càng đòi hỏi cao hơn bao giờ hết. Hình 11. Tổ hợp anten trong WCE gắn với cáp RF-230 Cáp đồng trục có trở kháng sóng là 50Ω, đường kính vỏ ngoài là 3 mm, đường kính lõi trong là 0,8 mm, một đầu nối với mặt phản xạ và anten, một đầu nối với máy phân tích véc tơ Anritsu-MS2034B. Khi nhúng tổ hợp anten đề xuất vào lọ chất lỏng tương đương môi trường bên trong bộ máy tiêu hóa của con người sẽ thu được kết quả trên máy đo như Hình 12. Hình 8. Hệ số sóng đứng của tổ hợp anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng trong WCE Hình 12. Hệ số VSWR của tổ hợp anten a) Gθ b) Gφ khi đặt trong môi trường vùng bụng Hình 9. Hệ số tăng ích của tổ hợp anten chấn tử không đối xứng Theo [7], môi trường trong bộ máy tiêu hóa được tạo và anten xoắn chóp trong WCE bởi dung dịch có các thành phần cơ bản cho ở Bảng 2 Bảng 2. Thành phần hoá học trong môi trường trong cơ thể con người Thành phần Tỉ lệ [%] Đường 46,78 NaCl 1,49 Bactericide 0,05 Hydroxycthyl Cellulose (HCl) 0,52 Hình 10. Đồ thị bức xạ 3D của tổ hợp anten xoắn phẳng Nước 51,16 trong WCE Từ kết quả chế tạo và đo VSWR của mẫu tổ hợp anten So sánh các tham số của tổ hợp anten đề xuất (mẫu 2) chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng siêu nhỏ, ta với anten xoắn chóp (mẫu 1) ta thấy: dải thông (Hình 8) có các nhận xét sau: rộng hơn, hệ số tăng ích (Hình 9), đồ thị bức xạ 3D (Hình 10) đều tương đương, đảm bảo truyền tốt tín hiệu video có Thứ nhất: Mẫu anten đề xuất, thiết kế, mô phỏng và chế độ phân giải cao ra bên ngoài. tạo hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu khi sử dụng trong hệ thống WCE. 3.3. Kết quả chế tạo và đo kiểm Thứ hai: Hệ số sóng đứng điện áp thỏa mãn VSWR ≤ 2 Trên cơ sở kích thước của cấu trúc tổ hợp anten Mẫu 2 trong toàn bộ dải thông của anten. Tại tần số trung tâm là ở Bảng 1, tác giả đã chế tạo thành công tổ hợp anten được 450 MHz, hệ số VSWR gần như nhỏ nhất VSWR ≈ 1,15 bọc trong viên nang và đặt vuông góc trên mặt phản xạ kim loại, mặt phản xạ được gắn với vỏ của cáp đồng trục loại
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 13 4. Kết luận như cấy ghép dưới da, trong răng hoặc trong não bộ... nhằm Bài báo đã tính toán các tham số của anten xoắn chóp theo dõi các chỉ số y tế thường xuyên và trực tiếp như nhiệt hiện đang đề xuất cho WCE; nêu hạn chế của anten xoắn độ, nhịp tim, huyết áp... chóp và đề xuất tổ hợp cấu trúc anten chấn tử không đối xứng và anten xoắn phẳng có kích thước siêu nhỏ sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO tốt cho thiết bị WCE. Các kết quả chính đạt được như sau: [1] Kim, J., and Rahmat-Samii, Y., “Implanted antennas inside a human - Tính toán, mô phỏng, anten xoắn chóp đang sử dụng body:simulations, design, and characterization”, IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 52, Issue 8, pp. 1934– với kích thước siêu nhỏ đặt gọn trong viên nang và trong môi 1943, 2004. trường điện môi có tổn hao. Anten xoắn có dải thông rộng, [2] Zhao Wang, Eng Gee Lim, Tammam Tillo and Fangzhou Yu, đồ thị bức xạ gần như đẳng hướng và nêu được phương pháp Review of the Wireless Capsule Transmitting and Receiving cấp nguồn. phối hợp được trở kháng và cộng hưởng. Antennas, Xi'an Jiaotong - Liverpool University, P.R. China. [3] Kihun Chang1, Sang il Kwak2, Sangheun Lee1, and Young Joong - Đề xuất tổ hợp cấu trúc anten chấn tử không đối xứng Yoon1, Ultra-wideband Conical Helix for Capsule Endoscope và anten xoắn chóp siêu nhỏ nhằm giảm nhỏ kích thước System, Department of Electrical & Electronic Engineering, Yonsei anten trong môi trường vùng bụng con người, giữ nguyên Univ. 134 Shinchondong, Seodaemungu, Seoul, 120-749, Korea hệ số tăng ích và đồ thị bức xạ, tạo thuận lợi cho việc sử [4] S. H. Lee and Y. J. Yoon (2010), “Fat arm spiral antenna for dụng WCE cho trẻ em wideband capsule endoscope systems”, in Proc. RWS, pp. 579–582. [5] E. G. Lim, J. C. Wang, Z. Wang, G. Juans, T. Tillo, K. L. Man, and - Chế tạo và tiến hành đo kiểm mẫu anten đã đề xuất, M. Zhang (2013), “Wireless Capsule Antennas”, Proceedings of the kết quả hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết và mô International MultiConference of Engineers and Computer phỏng. Scientists Vol II, IMECS 2013, March 13 - 15. [6] http://www.feko.info Trong thời gian tới, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu, tính [7] Xiaoyu Cheng, Arian Rahimi and Yong-Kyu Yoon (2012), “A dual- toán ảnh hưởng của môi trường điện môi có tổn hao lớn function helix antenna with wireless communication and power đến các tham số và đặc trưng của anten. Phương pháp giảm transmission capabilities for capsule endoscope”, Multidisciplinary nhỏ kích thước anten xoắn ốc siêu nhỏ dùng trong Y học Nano & Microsystems Laboratory UNIVERSITY of FLORIDA (BBT nhận bài:10/09/2016, phản biện xong: 28/09/2016)