Uma antena MIMO compacta e de banda larga para alta

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14290 (2022) Citar este artigo

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Devido aos recentes avanços nas câmeras semicondutoras de óxido metálico complementar (CMOS), a transferência de imagens e vídeos de alta resolução é possível na endoscopia por cápsula sem fio. A comunicação com altas taxas de dados é necessária para esses dados, o que é possível usando antenas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Neste artigo, uma antena MIMO de dois elementos, compacta, de baixo tamanho, alta taxa de dados, altamente isolada e com grande largura de banda foi proposta a 2,45 GHz para endoscopia de cápsula sem fio. A geometria da antena (\(5\times 4,2 \times 0,12\,\hbox {mm}^{3}\)) é mantida pequena usando geometria sinuosa, estrutura de solo defeituosa e alta permissividade do substrato. Uma largura de banda mais ampla de 620 MHz (2,15–2,77 GHz) é alcançada por emocionantes modos duplos da antena usando estrutura de solo defeituosa. Além disso, um menor acoplamento mútuo entre as antenas (30,1 dB a 2,45 GHz) é realizado, apesar do pequeno espaço de 0,5 mm de ponta a ponta, usando a combinação de estrutura de solo defeituosa e ponta em forma de I. Tendo em mente a configuração do nível do sistema, esta antena é simulada e medida dentro de um dispositivo cápsula considerando os efeitos dos outros componentes e do próprio dispositivo. As medições práticas são realizadas inserindo o dispositivo cápsula (contendo a antena MIMO) dentro da carne picada. Para verificar a segurança e eficácia da antena MIMO proposta, a sua taxa de absorção específica (SAR) e o orçamento do link são calculados e validados. Além disso, são verificadas as especificações do canal \(2\times 2\), o que mostra um desempenho satisfatório. Esta antena tem alta capacidade de canal (\(\aprox 8,2 \,\hbox {bps/Hz}\) em \(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {dB}\)) do que a de entrada única-single- antenas de saída (SISO), portanto, são uma escolha adequada para dispositivos endoscópicos de cápsula com alta taxa de dados. Até onde sabemos, esta é a primeira antena MIMO implantável relatada até agora com dimensões tão menores e largura de banda mais ampla.

Para pacientes com doenças relacionadas aos órgãos internos, o monitoramento contínuo do seu estado exige a presença física em hospitais por períodos prolongados. Para ajudar esses pacientes e outros com condições semelhantes, esforços recentes de investigação visaram o desenvolvimento de sistemas de monitorização de pacientes sem fios que recolhem os dados necessários dos pacientes no conforto das suas casas, sem a necessidade de estar no hospital para esse efeito. Tais sistemas exigem que um dispositivo de detecção médica seja inserido dentro do corpo (implantável ou ingerível), e este dispositivo inclui um transmissor para enviar os dados sem fio para um dispositivo externo. Em seguida, as informações recebidas podem ser facilmente transferidas para o hospital para análise em tempo real e relatórios de emergência. Este conceito é demonstrado na Fig. 1 para cápsulas ingeríveis como dispositivos sensores utilizados no monitoramento de pacientes com doenças intestinais. Uma cápsula deste tipo é um sistema integrado que consiste nos sensores necessários, câmera, antena, baterias e uma placa de circuito impresso. O design de tais cápsulas e dispositivos médicos similares tem sido abordado em trabalhos recentes para diferentes aplicações médicas1. Por exemplo, foram apresentados sistemas de monitoramento da pressão intraocular do glaucoma em1,2, e dos níveis de glicose em3,4.

O conceito de sistema de monitoramento de pacientes sem fio utilizando cápsula ingerível.

Além do monitoramento sem fio de pacientes, dispositivos de detecção médica implantáveis ​​foram desenvolvidos para outras aplicações médicas, como registro de sinais neurais e estimulação deles5,6,7, controle de batimentos cardíacos8,9 e realização de endoscopias por cápsula10,11. Um componente chave nos sistemas implantáveis ​​acima mencionados é a antena transmissora para a qual dois parâmetros de projeto são de extrema importância: tamanho e taxa de dados12. A redução de tamanho em antenas implantáveis ​​deve ser abordada usando métodos que não degradem a taxa de dados e o desempenho da comunicação. Isto foi conseguido na literatura utilizando as seguintes estruturas e técnicas: carregamento reativo13, substratos com alta permissividade14, estruturas de ondas lentas15 e ressonadores sinuosos16. Outra preocupação ao projetar uma antena implantável é a distorção de múltiplos caminhos (causada por tecidos humanos com perdas) dentro do corpo humano . Uma maneira de aliviar os efeitos de distorção em antenas implantáveis ​​​​de banda única é usar designs polarizados circularmente, como os apresentados em 18,19. Outra forma é implantar antenas implantáveis ​​​​de banda larga ou múltipla, como os projetos relatados em 20,21 para operação em banda dupla 22,23, para operação em banda tripla 24,25, para operação em banda quádrupla e 26,27 para operação em banda larga. Operação. Contudo, as taxas de dados alcançadas utilizando as técnicas acima mencionadas não são tão desejáveis ​​para aplicações médicas em tempo real. Para melhorar ainda mais a taxa de dados das antenas implantáveis, a configuração de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO)28,29 pode ser usada em vez da configuração de entrada única e saída única (SISO)30,31. Por exemplo, a antena implantável MIMO relatada em 32 foi usada para imagens de alta resolução que requerem altas taxas de dados. Foram utilizadas duas antenas para transmissão de imagens de alta resolução capturadas com cápsula endoscópica sem fio. A principal vantagem destas antenas foram as suas altas taxas de dados em comparação com outras antenas SISO convencionais. No entanto, possui desvantagens de largura de banda estreita, menor isolamento e tamanho grande. Antenas MIMO com dois ou mais elementos também foram relatadas na literatura para aplicações médicas de antenas implantáveis33,34,35. In33, uma antena MIMO implantável de elemento duplo foi projetada usando radiador espiral e plano de aterramento de linha helicoidal. Assim como outras antenas MIMO, ela pode suportar altas taxas de dados sem potência e frequência extras. No entanto, tem as desvantagens de grandes dimensões, baixo nível de isolamento e largura de banda limitada de 10 dB. In34, uma antena MIMO de quatro elementos foi projetada na banda ISM de 2,45 GHz para dispositivos médicos implantáveis. A antena é baseada em estruturas de bandgap eletromagnético (EBG) e um plano de aterramento parcial. As principais limitações desta antena são a sua largura de banda estreita, grandes dimensões e menor nível de isolamento. In32, um sistema de antena dupla foi introduzido para aplicações de biotelemetria de alta taxa de dados. Esta antena tem vantagem em termos de alto nível de isolamento, mas apresenta largura de banda estreita e tamanho grande. Em36, foi realizado o estudo de acoplamento mutula de antena MIMO implantada no corpo. Em comparação com outras antenas, ela possui dimensões relativamente pequenas, mas às custas de uma largura de banda extremamente estreita e de grandes dimensões. Os autores de 37 projetaram uma antena MIMO de alta taxa de dados para aplicações biomédicas. Possui bom ganho realizado, mas apresenta largura de banda estreita, tamanho grande e nível de isolamento mais baixo. In38, os autores projetaram uma antena MIMO para dispositivos médicos implantáveis ​​profundos. Abrange uma largura de banda de 320 MHz centrada em 2,45 GHz. Esta antena possui vários recursos bons (alta taxa de dados, boa capacidade de canal e bom ganho de pico, etc.), mas apresenta tamanho grande, largura de banda limitada e menor isolamento. Embora esteja comprovado que as antenas MIMO aumentam as taxas de dados, esse aumento, no entanto, ocorre às custas de dispositivos volumosos36,37,38. Conseqüentemente, o uso de elementos compactos é a principal abordagem para reduzir o tamanho do dispositivo. Porém, a redução do tamanho das antenas MIMO deve ser feita de forma a manter um alto isolamento entre os elementos.