Design and analysis of implantable antenna for ISM and WMTS bands

Abstract

Bu tezde, kablosuz biyomedikal telemetri uygulamaları için dual bandlı ve minyatür slotlu Ters Çevrilmiş İğneli Düzlemsel F-Anteninin (ÇYFA) önerilmiştir. Anten; Endüstriyel, Bilimsel, Tıbbi (EBT) bandı (2400-2480 MHz) ve Kablosuz Tıbbi Telemetri Servisi (KTTS) bandı (1395-1400, 1427-1432 MHz) olmak üzere iki frekans bandında ve insan kas dokusu içerisinde çalışmak üzere geliştirilmiştir. Daha iyi empedans uyumu ve anten verimliliğini sağlamak için, L şeklinde yuva yaması ve 2.4 mm FR4 alt tabaka ile toprak düzlemden oluşan antende, yuvada dielektrik yükleme kullanılmıştır.Biyomedikal anten tasarımı, talep edilen frekans bantları için anten boyutu sınırlamaları nedeniyle oldukça zorlayıcıdır. Tasarımın sıkıştırılmış boyutu 12.6mm x 8.5mm x2.4mm'dir.viiHem Yüksek Frekanslı Yapı Simülatörü (HFSS) yazılımı hem de Microwave Studio® simülasyon yazılımı (CST), önerilen anten tasarımında ve simülasyonunda kullanılmıştır. Yazılım programının `Parametrik Analiz` kabiliyetleri, özellikle giriş empedansı, geri dönüş kaybı, ışıma paterni ve yönlülük açısından optimum sonuçlar elde elebilmek için yamanın boyutlarını değiştirmek için kullanılmıştır.Sonuçlar, 1400 MHz'de % 5,1 band genişliğinde -10 dB'den düşük geri dönüş kaybını ve 2400 MHz'de ise % 4,2 bant genişliğinde yine -10 dB'den düşük geri dönüş kaybını makul şekilde sağladığını göstermiştir. Daha sonra anten modeli kas-mimicking jel içinde imal ve test edilmiştır, ve sonuçlar ölçülmüştür. Simülasyon ve ölçüm sonuçları arasında makul düzeydeki benzerllikler gösterilmiştir. Özellikle rezonans frekansları açısından simülasyon ve ölçüm sonuçları arasındaki küçük farklar, antenin üretimi, lehimlemeler ve yama ile toprak düzlem arasındaki kısa devre pin bağlantılarının yerindeki düzensizliklerden kaynaklanmaktadır.

Miniaturized slot of Implantable Planar Inverted F-Antenna (PIFA) with two bands has been proposed in this thesis, for biomedical wireless telemetry applications. The antenna embedded inside muscle tissue of human is developed to operate at two bands of frequency; band of Industrial, Scientific and Medical (ISM) (2400-2480 MHz) and band of Wireless Medical Telemetry Service (WMTS) (1395-1400 and 1427-1432 MHz). To satisfy better efficiency and impedance matching, the antenna model consisting of an L-shaped slot patch and a ground plane with 2.4 mm FR4 substrate layer is designed with a dielectric loading utilized on the slot.Biomedical antenna design is quite challenging because of constraints as antenna size for the requested frequency bands. The compressed size of antenna that was designed is 12.6 mm × 8.5 mm × 2.4 mm.vBoth the Structure Simulator of High Frequency (HFSS) software and Microwave Studio® simulation (CST) software have been employed in simulating and designing of the antenna proposed. The ` Parametric Analysis` properties of the software program has been used in order to variate the dimensions of the radiating patch to achieve optimum output in terms of impedance, return loss, radiation pattern, and directivity.Results have shown that the dimensions provide a return loss lower than -10 dB with 5.1% bandwidth at 1400 MHz, as well as a return loss lower than -10 dB with 4.2% bandwidth at 2400 MHz, which are reasonable outputs. The antenna model is then fabricated, tested inside a muscle-mimicking liquid and the results have been measured. Reasonable similarity existence has been shown between results of simulation and measured results. The small differences existing between simulated and measured resonant frequencies are partly due to fabrication imperfections related to soldering and the shorting pin between the patch and ground plane. The proposed implantable dual band antenna would be an attractive candidate element for biomedical wireless telemetry applications, too.