Sema Dumanli - ursi.org.tr
Transkript
Sema Dumanli - ursi.org.tr
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ İki Modlu Işıma Örüntülü Vücut Alan Ağı Ağ Geçidi Anteni Sema Dumanli Oktar Toshiba Research Europe 32 Queen Square Bristol, UK sema.dumanli@toshiba-trel.com, Özet: Vücut üzeri anten tasarımı, vücut gibi kayıplı ve büyük bir kütlenin, antenin yakın alanında bulunması ve aralarındaki etkileşim nedeniyle zorlu bir görevdir. Kayıpların en aza indirilip sensör ömrünün uzatılması için; anten, uygulamaya bağımlı ışıma örüntüsüne sahip ve vücudun yakın alan etkilerine olabildiğince duyarsız tasarlanmalıdır. Bu çalışmada, ışıma örüntüsünü, kurulacak bağlantı türüne göre değiştirilebilen iki modlu orijinal bir ağ geçidi anteni sunulmaktadır. Abstract: Antenna design for Body Area Networks (BAN) is a challenging task due to the body being in the near field of the antenna and the interaction between two. In order to minimize the losses and maximize the battery lifetime, the antenna should be designed to have a more application dependent gain pattern and to be less sensitive to near field effects of the body. Here a dual mode antenna tackling aforementioned problems has been proposed. 1. Giriş Vücut alan ağlarında (VAA) üç çeşit bağlantı söz konusudur. Bunlardan birincisi vücut içi, ikincisi vücut üzeri, üçüncüsü vücut dışı olarak tanımlanabilir. Herhangi bir kısmı vücudun içinde kurulan bağlantılara vücut içi, vücut komşuluğuna yerleştirilmiş sensörler arasında kurulan bağlantılara vücut üzeri bağlantı denir. Vücut içi sensörlere örnek olarak, akıllı kalp pili, akıllı ortopedik ekme; vücut üzeri sensörlere örnek olarak ise sıcaklık sensörü, EKG sensörü veya hareket sensörü verilebilir. Vücut dışı bağlantılar ise bahsi geçen vücut üzeri sensörler ile vücuttan uzakta bulunan ağ geçitleri veyahut başka bir vücut üzerindeki vücut üzeri sensörler arasında kurulan bağlantılardır[1]. Şekil 1 Vücut alan ağı tipik mimarisi Bir vücut ağ geçidi anteni, birçok mimaride hem vücut üzeri hem de vücut dışı bağlantılar kurar, bkz. Şekil 1. Bu iki bağlantı için birbirinden farklı ışıma örüntülerine ihtiyaç vardır. Vücut üzerinde bulunan sensörler arasında kurulan bağlantılarda, ışıma vücut boyunca antenin yatay düzleminde yönelmesiz ve tercihen dikey polarize olmalıdır[4][5][6]. Vücut dışı bağlantılar için ise ışıma antenin dikey düzleminde, vücuttan dışarı doğru yönlenmeliyken kutuplanma kritik değildir. Kayıpların en aza indirilip sensör ömrünün uzatılması için; ağ geçidi anteni, kurulacak bağlantıya göre bahsi geçen ışıma örüntülerinin ikisini de harekete geçirebilmelidir [2][3]. Bunlara ek olarak, vücut komşuluğunda çalışacak antenin, vücuttan olabildiğince izole olabilmesi için yer düzleme sahip ve de kullanıcı tarafından kolay kabul edilmesi açısından küçük ve ya esnek olmalıdır. Bu çalışmada ışıma örüntüsünü, kurulacak bağlantı türüne göre anahtarlamayla döndürebilen iki modlu orijinal bir ağ geçidi anteni sunulmaktadır. 2. Anten Tasarımı URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Kısa devre edilmiş yama antenlerin TM00 modu monopol antenin ışıma örüntüsüne benzer yönelmesiz bir ışıma örüntüsüne sahiptir. Bu mod hakkında çok fazla araştırma yapılmamış olmakla birlikte, literatürde genişçe yer alan kısa devre edilmiş halka antenin TM01 moduyla benzeşir [7] [8]. Öte yandan kısa devre edilmiş yama antenin VAA’da kullanımı [6]’da tartışılmış, vücut üzeri bağlantıları için uygunluğu ispatlanmıştır. Bu çalışmadaki anten adı geçen TM00 modunu veya standart yama antenin dominant modu olan TM01 modunu anahtarlama ile aktive etmektedir. Anten yer düzleminin altına yerleştirilen ikinci bir katman yardımıyla anahtarlamayı gerçeklemektedir. Şekil 2 İki modlu ağ geçidi anteni 3. Benzetim ve Ölçüm Benzetimi HFSS ile yapılan iki modlu antenin geri dönüş kaybı karakteristikleri Şekil 3’de görülmektedir. Ölçümler ile benzetim arasındaki uyum tatmin edici düzeydedir. Şekil 3 Geri dönüş kaybı karakteristikleri Vücut dışı modunun ve vücut üzeri modunun 2,5 GHz’teki HFSS ile benzetilmiş ışıma örüntüleri sırayla Şekil 4 ve Şekil 5’te verilmektedir. Vücut dışı mod amaçlanan performansa sahipken, vücut üzeri modunda besleme tekniğinden kaynaklanan bir yönelme gözlemlenmiştir. Vücut üzerine yerleştirilen sensörlerin yönleri bilindiği sürece bu yönelim kazanç olarak sisteme geri dönüştürülebilir. URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Şekil 4 Vücut dışı modunun 2,5 GHz’deki kazanç örüntüsü Şekil 5 Vücut üzeri modunun 2,5 GHz’deki kazanç örüntüsü 3. Sonuç VAA alan ağzı anteni olarak kullanılmak üzere çift modlu yeni bir anten ileri sürülmüştür. Uygulamaya uygunluğu ve performansı sunulmuştur. Kaynaklar [1]. Hall P. S., Hao Y., “Antennas and propagation for body centric communications”, Proc. European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2006), Nice, France, 2006. [2]. Dumanli S., Gormus S., Craddock I.J., “Energy efficient body area networking for mHealth applications,” 6th International Symposium on Medical Information and Communication Technology (ISMICT), s.1,4, 25-29 Mart 2012. [3]. Dumanli S., Gormus S., Craddock I.J., “Energy efficient body area networking nased on Off-the-shelf Wireless Sensors,” 8th Internation Conference on Body Area Networks, s. 103,107, Ekim 2013. [4]. Hall P.S., Yang Hao, Nechayev Y.I., Alomainy A., Constantinou C.C., Parini C., Kamarudin M.R., Salim T.Z., Hee D.T.M., Dubrovka R., Owadally A.S., Wei Song, Serra A., Nepa P., Gallo M., Bozzetti M., “Antennas and propagation for on-body communication systems,” IEEE Antennas and Propagation Magazine , vol.49, no.3, s.41,58, Haziran 2007. [5]. Alves T., Poussot B., Laheurte J.-M., “Analytical Propagation Modeling of BAN Channels Based on the Creeping-Wave Theory,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59, no.4, s.1269,1274, Nisan 2011. [6]. Conway G.A., Scanlon W.G., “Antennas for Over-Body-Surface Communication at 2.45 GHz,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.57, no.4, s.844,855, Nisan 2009. [7] Gonzalez-Posadas, V., Segovia-Vargas D., Rajo-Iglesias E., Vazquez-Roy J. L., Martin-Pascual C., “Approximate analysis of short circuited ring patch antenna working at TM01 mode”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on , v.54, no.6, s.1875,1879, 2006. [8] Merce N., Tejedor P., Vassal’lo J., “The TM01 mode of microstrip radiators and some of its applications”, Ninth International Conference on Antennas and Propagation, s.33-36 , 4-7 Nisan 1995.