Una antena MIMO compacta y de banda ancha para alta

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14290 (2022) Citar este artículo

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Gracias a los avances recientes en las cámaras semiconductoras de óxido metálico complementarias (CMOS), es posible transferir imágenes y vídeos de alta resolución en la cápsula endoscópica inalámbrica. Para dichos datos se requiere una comunicación de altas velocidades de datos, lo cual es posible utilizando antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). En este artículo, se propone una antena MIMO de dos elementos altamente aislada, compacta, de bajo tamaño, de alta velocidad de datos y con un gran ancho de banda a 2,45 GHz para cápsula endoscópica inalámbrica. La geometría de la antena (\(5\times 4.2 \times 0.12\,\hbox {mm}^{3}\)) se mantiene pequeña utilizando una geometría serpenteante, una estructura de tierra defectuosa y una alta permitividad del sustrato. Se logra un ancho de banda más amplio de 620 MHz (2,15–2,77 GHz) mediante excitantes modos duales de la antena que utilizan una estructura de tierra defectuosa. Además, se logra un menor acoplamiento mutuo entre las antenas (30,1 dB a 2,45 GHz), a pesar del pequeño espacio de borde a borde de 0,5 mm, utilizando una combinación de estructura de tierra defectuosa y trozo en forma de I. Teniendo en cuenta la configuración a nivel del sistema, esta antena se simula y mide dentro de un dispositivo de cápsula considerando los efectos de los otros componentes y del dispositivo mismo. Las mediciones prácticas se realizan insertando el dispositivo de cápsula (que contiene la antena MIMO) dentro de la carne picada. Para comprobar la seguridad y eficacia de la antena MIMO propuesta, se calculan y validan su tasa de absorción específica (SAR) y su presupuesto de enlace. Además, se verifican las especificaciones del canal \(2\times 2\), lo que muestra un rendimiento satisfactorio. Esta antena tiene una alta capacidad de canal (\(\approx 8.2 \,\hbox {bps/Hz}\) a \(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {dB}\)) que la antena de entrada única. Las antenas de salida (SISO), por lo tanto, son una opción adecuada para dispositivos de cápsula endoscópica de alta velocidad de datos. Hasta donde saben los autores, esta es la primera antena MIMO implantable reportada hasta ahora con una dimensión tan pequeña y un ancho de banda más amplio.

Para los pacientes con enfermedades relacionadas con sus órganos internos, el seguimiento continuo de su estado requiere su presencia física en los hospitales por tiempos prolongados. Para ayudar a estos pacientes y a otros con condiciones similares, los esfuerzos de investigación recientes se dirigieron al desarrollo de sistemas inalámbricos de monitoreo de pacientes que recopilan los datos requeridos de los pacientes en la comodidad de sus hogares sin la necesidad de estar en el hospital para ese propósito. Dichos sistemas requieren que se inserte un dispositivo sensor médico dentro del cuerpo (implantable o ingerible), y este dispositivo incluye un transmisor para enviar los datos de forma inalámbrica a un dispositivo externo. A continuación, la información recibida se puede transferir fácilmente al hospital para su análisis en tiempo real y generación de informes de emergencia. Este concepto se demuestra en la Fig. 1 para las cápsulas ingeribles como dispositivos sensores utilizados en el seguimiento de pacientes con enfermedades intestinales. Una cápsula de este tipo es un sistema integrado que consta de los sensores necesarios, una cámara, una antena, baterías y una PCB. El diseño de dichas cápsulas y dispositivos sensores médicos similares se ha abordado en trabajos recientes para diferentes aplicaciones médicas1. Por ejemplo, en 1,2 se presentaron sistemas de monitorización de la presión intraocular en casos de glaucoma y en 3,4 de los niveles de glucosa.

El concepto de sistema inalámbrico de monitorización de pacientes mediante cápsula ingerible.

Además de la monitorización inalámbrica de pacientes, se desarrollaron dispositivos sensores médicos implantables para otras aplicaciones médicas, como el registro de señales neuronales y su estimulación5,6,7, el control de los latidos del corazón8,9 y la realización de cápsulas endoscópicas10,11. Un componente clave en los sistemas implantables antes mencionados es la antena transmisora ​​para la cual dos parámetros de diseño son de extrema importancia: el tamaño y la velocidad de datos12. La reducción del tamaño de las antenas implantables debe abordarse utilizando métodos que no degraden la velocidad de datos ni el rendimiento de la comunicación. Esto se logró en la literatura mediante el uso de las siguientes estructuras y técnicas: carga reactiva13, sustratos con alta permitividad14, estructuras de onda lenta15 y resonadores serpenteantes16. Otra preocupación al diseñar una antena implantable es la distorsión de trayectorias múltiples (causada por tejidos humanos con pérdidas) dentro del cuerpo humano17. Una forma de aliviar los efectos de distorsión en antenas implantables de banda única es utilizar diseños polarizados circularmente como los presentados en 18,19. Otra forma es implementar antenas implantables de banda ancha o múltiple, como los diseños reportados en20,21 para operación de doble banda22,23, para operación de triple banda24,25, para operación de cuatribanda y26,27 para banda ancha. operación. Sin embargo, las velocidades de datos logradas utilizando las técnicas antes mencionadas no son tan deseables para aplicaciones médicas en tiempo real. Para mejorar aún más la velocidad de datos de las antenas implantables, se puede utilizar la configuración de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO)28,29 en lugar de la configuración de una sola entrada y una sola salida (SISO)30,31. Por ejemplo, la antena implantable MIMO descrita en 32 se utilizó para obtener imágenes de alta resolución que requieren altas velocidades de datos. Utilizó dos antenas para transmitir imágenes de alta resolución capturadas mediante un endoscopio de cápsula inalámbrico. La principal ventaja de estas antenas fue su alta velocidad de datos en comparación con otras antenas SISO convencionales. Sin embargo, tiene las desventajas de un ancho de banda estrecho, un menor aislamiento y un gran tamaño. En la literatura también se informaron antenas MIMO con dos o más elementos para aplicaciones médicas de antenas implantables33,34,35. In33, se ha diseñado una antena MIMO implantable de doble elemento utilizando un radiador en espiral y un plano de tierra de línea helicoidal. Al igual que otras antenas MIMO, puede admitir altas velocidades de datos sin potencia ni frecuencia adicionales. Sin embargo, tiene las desventajas de sus grandes dimensiones, su bajo nivel de aislamiento y su ancho de banda limitado de 10 dB. In34, se ha diseñado una antena MIMO de cuatro elementos en la banda ISM de 2,45 GHz para dispositivos médicos implantables. La antena se basa en estructuras de banda prohibida electromagnética (EBG) y un plano de tierra parcial. Las principales limitaciones de esta antena son su estrecho ancho de banda, sus grandes dimensiones y su menor nivel de aislamiento. In32, se ha introducido un sistema de antena dual para aplicaciones de biotelemetría de alta velocidad de datos. Esta antena tiene la ventaja en términos de un alto nivel de aislamiento, pero adolece de un ancho de banda estrecho y un gran tamaño. En 36, se realizó el estudio de acoplamiento mutula de una antena MIMO implantada en el cuerpo. En comparación con otras antenas, tiene dimensiones relativamente pequeñas pero a expensas de un ancho de banda extremadamente estrecho y grandes dimensiones. Los autores de 37 diseñaron una antena MIMO de alta velocidad de datos para aplicaciones biomédicas. Tiene una buena ganancia realizada, pero adolece de un ancho de banda estrecho, un tamaño grande y un nivel de aislamiento más bajo. En38, los autores han diseñado una antena MIMO para dispositivos médicos implantables profundos. Cubre un ancho de banda de 320 MHz centrado en 2,45 GHz. Esta antena tiene varias características buenas (alta velocidad de datos, buena capacidad de canal y buena ganancia máxima, etc.), pero adolece de gran tamaño, ancho de banda limitado y menor aislamiento. Aunque se ha demostrado que las antenas MIMO aumentan las velocidades de datos, este aumento se produce a expensas de dispositivos voluminosos36,37,38. En consecuencia, el uso de elementos compactos es el enfoque principal para reducir el tamaño del dispositivo. Sin embargo, la reducción del tamaño de las antenas MIMO debe hacerse de manera que se mantenga un alto aislamiento entre los elementos.

Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo es presentar una antena implantable MIMO compacta, de banda ancha y altamente aislada, adecuada para aplicaciones médicas que requieren altas velocidades de datos. Para lograr compacidad, la antena propuesta utiliza un sustrato con alta permitividad, ranuras en el plano de tierra y resonadores serpenteantes. Se introducen ranuras y un trozo en forma de I en el plano de tierra de la antena propuesta para aislar eficazmente los elementos de la antena. La antena propuesta tiene un tamaño pequeño (\(2.52 \,\hbox {mm}^{3}\)) que es uno de los más pequeños en la literatura para antenas MIMO implantables. Además, se logra un alto aislamiento de 30,1 dB a 2,45 GHz con una separación de borde a borde de 0,5 mm entre los dos elementos de la antena y ambas partes comparten el mismo plano de tierra. La antena propuesta funciona a 2,45 GHz y posee un ancho de banda más amplio de 10 dB de 620 MHz (2,15–2,77 GHz). Además, mantiene una ganancia máxima realizada de -20,6 dBi a 2,45 GHz. Los parámetros de seguridad sanitaria, como el análisis de la tasa de absorción específica (SAR), se realizan para validar la seguridad del paciente. El resultado indica que el SAR de 10 g de la antena es igual a 402,8 W/Kg cuando se aplica una potencia de 1 W. Más específicamente, el dispositivo de cápsula puede manejar una potencia de entrada máxima igual a 3,97 mW. Esto es mucho más alto que el límite de potencia máximo permitido (25 μW). Para garantizar una comunicación fluida y de alta velocidad de datos, se investigan el análisis del presupuesto del enlace y los parámetros del canal MIMO. Los resultados muestran independencia entre los elementos MIMO y una comunicación inalámbrica fluida con altas velocidades de datos.

Esquema de la configuración de antena MIMO sugerida (a) Vista superior, (b) vista inferior, (c) vista explosionada en 3D y (d) vista lateral.

El diseño de la antena MIMO implantable propuesta se muestra en la Fig. 2 con una vista explosionada en 3D (las dimensiones de la geometría se muestran en milímetros). La antena está compuesta por dos capas metálicas con un sustrato de alta constante dieléctrica entre ellas. La capa metálica superior consta de dos resonadores radiantes basados ​​en líneas de transmisión serpenteantes, mientras que la capa metálica inferior es un plano de tierra ranurado que tiene como objetivo mejorar lo siguiente: (1) mejorar la adaptación de impedancia de la antena, (2) aumentar el aislamiento entre los dos elementos MIMO y (3) mejoran el ancho de banda de impedancia de 10 dB. Ambos resonadores serpenteantes son alimentados por un cable coaxial de 50 \(\Omega\) a través de un conector SubMiniature versión A (SMA) conectado a tierra. El cable coaxial tiene un diámetro de conductor interior y exterior de 0,25 mm y 1,5 mm respectivamente. Además, cada cable tiene una longitud de 115 mm. El sustrato tiene una constante dieléctrica (\(\varepsilon _{r}\)) de 10,2, una tangente de pérdida (tan\(\delta\)) de 0,0022 y el espesor es igual a 0,12 mm. Se utiliza un sustrato de alta constante dieléctrica para lograr estructuras de menor tamaño para compactar el diseño. Se prevé que la fina capa de sustrato limite la fuga de ondas superficiales entre los dos elementos y mejore el aislamiento. El sustrato de la antena tiene unas dimensiones de \(5\times 4,2 \times 0,12\,\hbox {mm}^{3} = 2,52 \,\hbox {mm}^{3}\). La ventaja de la compacidad del diseño propuesto es muy deseable para dispositivos implantables en cápsulas para aplicaciones médicas implantables profundas.

El entorno de simulación es una etapa clave en este diseño. Esto se debe al hecho de que las antenas biomédicas implantables se colocan dentro de un modelo de tejido o un fantasma humano. En este artículo, la antena implantable está incrustada dentro de una cápsula para usarse en la implantación de tejido profundo, como se ilustra en la Fig. 3. En general, los dispositivos de cápsula de tejido profundo contienen muchos componentes como antenas, sensores de imagen CMOS, sensores de superficie. Elementos montados agrupados (condensadores, resistencias, etc), Diodos emisores de luz (LED), baterías, receptores de energía inalámbricos. Todos estos componentes se colocan en una cápsula de alúmina de paredes delgadas (\(\varepsilon _{r} = 9,8\), \(\hbox {espesor} = 0,2 \,\hbox {mm}\)). La cápsula tiene forma cilíndrica con un diámetro de 8 mm y una longitud de 17 mm.

La Figura 3 muestra cómo se inserta la antena dentro de un tejido muscular que tiene unas dimensiones de \(160 \times 160 \times 160\, \hbox {mm}^{3}\). El tejido muscular tiene forma cúbica con una constante dieléctrica (\(\varepsilon _{r} = 52.79\)) y conductividad (\(\sigma = 1.70 \,\hbox {S/m}\))39. En el paso inicial, la antena se sitúa sola dentro de un músculo cúbico en ausencia de la cápsula implantada y se coloca a una profundidad de 80 mm. Luego de lo cual, la configuración sugerida se coloca con otras partes electrónicas dentro de la cápsula. Luego, esta configuración se optimiza para obtener mejores resultados. Finalmente, se elige el abdomen del cuerpo humano como lugar de implantación donde se coloca la antena propuesta dentro de la cápsula. Cabe mencionar que la simulación de ambos esquemas se realiza utilizando el software de simulación de alta frecuencia (HFSS) Ansys40. En las simulaciones, el modelo de tejido y el fantasma humano se colocan en una caja de radiación cúbica con las dimensiones (\(510\times 510 \times 510 \,\hbox {mm}^{3}\)), como se puede observar en la Fig. 3. Las configuraciones de análisis del software están configuradas para ser (a) tipo de solución: modo terminal; (b) frecuencia de la solución \(= 2,45\) GHz; (c) número máximo de pasadas \(= 20\); (d) Delta S máximo \(= 0,01\); (e) Frecuencia de barrido \(= 2\)–3,5 GHz con incrementos de 1 MHz.

Escenarios de simulación del sistema de antena MIMO implantable propuesto40.

A diferencia de las antenas de espacio libre convencionales, estas antenas funcionan en cuerpos heterogéneos. En consecuencia, varios parámetros del cuerpo humano afectan su desempeño, por lo que obtener los resultados deseados requiere de varias etapas de diseño. Para obtener los resultados requeridos, esta antena se diseña en cuatro etapas, como se muestra en la Fig. 4. Durante las etapas de evolución del diseño, se consideran varios objetivos de optimización. Estos objetivos de optimización son: (1) diseño compacto, (2) mejor adaptación de impedancia (3) gran ancho de banda y (4) alto aislamiento.

En el paso 1, se diseña un radiador monopolo de longitud de media onda convencional utilizando Ansys HFSS. La distancia de borde a borde entre los radiadores monopolo se mantiene en 0,5 mm. Para incorporar una ruta de corriente extendida en una geometría pequeña, se selecciona la geometría serpenteante. Las dimensiones iniciales se seleccionan usando la Ec. (1).

donde f es la frecuencia de resonancia de la estructura radiante, \(\varepsilon _{r}\) es la permitividad relativa del sustrato sobre el cual está diseñado el radiador, c es la velocidad de la luz y \(L_{m}\) es la longitud del radiador monopolo.

Etapas de optimización del sistema de antena MIMO sugerido.

De la Fig. 4, es obvio que ambas geometrías de radiadores monopolares tienen un plano de tierra compartido. Además, los parámetros S de este paso se muestran en la Fig. 5. Se puede observar que la antena resuena a 3,1 GHz y tiene un aislamiento de 10,3 dB. En esta etapa de evolución del diseño, estas antenas adolecen de una menor adaptación de impedancia, grandes dimensiones y un mayor acoplamiento mutuo. Además, la impedancia de la antena (parte real) también se muestra en la Fig. 6. Evidentemente, sólo se excita un modo de la antena; por tanto, la antena tiene una curva de coeficiente de reflexión estrecha.

\(\hbox {S}_{11}\) y \(\hbox {S}_{21}\) de la antena en etapas de optimización (objetivos de optimización: compacidad, gran ancho de banda y alto aislamiento).

En el paso 2, para lograr dimensiones compactas, se realizan varias ranuras en el plano de tierra, como se ilustra en la Fig. 4. La realización de ranuras adicionales en el plano de tierra cuenta con capacitancia adicional24. Como resultado, se reduce la frecuencia de resonancia de la antena. El impacto de la reactancia adicional sobre la frecuencia de resonancia se puede elaborar utilizando el fenómeno de onda lenta. De hecho, una antena convencional puede considerarse como un inductor en serie y un condensador en derivación. En consecuencia, la velocidad de fase de la onda se puede calcular usando

Donde la velocidad de propagación se representa con v, c representa la velocidad de la luz en el vacío, \(L_{an}\), \(C_{an}\), \(\lambda _{g}\) y f son inductancia, capacitancia, longitud de onda guiada y frecuencia de resonancia de la antena, respectivamente15.

La ecuación (2) detalla que la reactancia de la antena tiene una relación inversa con la frecuencia de resonancia de la antena. De hecho, la adición de dichas ranuras aumenta el valor de la reactancia; como resultado, la antena resuena en una banda de frecuencia más baja y se logra compacidad. Los parámetros S del segundo paso se demuestran en la Fig. 5. Se puede observar que la antena resonó a 2,6 GHz, con un ancho de banda de impedancia de 10 dB de 240 MHz (2,51–2,75 GHz) y un aislamiento de 15,1 dB. Con la adición de estas ranuras se consigue una miniaturización del 16,12% y una mejora del aislamiento de 4,8 dB. Además, también se mejora la adaptación de impedancia de la antena. Además, en la Fig. 6 se muestra la impedancia de entrada (parte real) de la antena, lo que confirma el fenómeno de miniaturización. Se puede ver que el modo fundamental de la antena se desplaza a las frecuencias más bajas debido a ranuras adicionales en el plano de tierra.

Impedancia de entrada (parte real) de la antena en etapas de optimización.

En los pasos anteriores de evolución del diseño (paso 1 y paso 2), se logra una miniaturización y adaptación de impedancia suficientes. Sin embargo, la antena todavía sufre de una mala adaptación de impedancia, un ancho de banda estrecho y un alto acoplamiento mutuo. Para aumentar el ancho de banda de la antena y reducir el acoplamiento entre los radiadores, se añade una ranura en forma de T (Fig. 4). Al realizar esta ranura, se excita el segundo modo de la antena y se aumenta el ancho de banda de la antena, como se muestra en las Figs. 5 y 6. Del mismo modo, mediante esta ranura se reduce el acoplamiento mutuo entre los radiadores monopolo. Además, una mayor adición de capacitancia reduce la frecuencia de resonancia a 2,54 GHz. En consecuencia, la frecuencia de resonancia de la antena en el paso 3 es igual a 2,54 GHz, con un ancho de banda de 560 MHz (2,25–2,81 GHz) y un aislamiento de 21,9 dB.

Modelo de elementos agrupados de la antena MIMO implantable de banda ancha propuesta.

Para aumentar aún más el aislamiento y el ancho de banda de impedancia, se realiza un trozo central en forma de I en el plano de tierra. Con esta adición, la antena funciona a 2,45 GHz, cubriendo un ancho de banda de impedancia de 620 MHz (2,15–2,77 GHz) y un aislamiento de 30,1 dB. De hecho, el trozo en forma de I mejora la adaptación de impedancia, mejora el ancho de banda de impedancia de 10 dB y reduce el acoplamiento mutuo, como se muestra en la Fig. 5. La combinación de la ranura en forma de T y el trozo en forma de I activa los modos duales del radiador ( como se muestra en la Fig. 6); por lo tanto, mejora el ancho de banda de impedancia de 10 dB. Además, limitan el paso de corriente de un radiador al segundo; por lo tanto, reduzca el acoplamiento mutuo. Al optimizar esta antena a través de cuatro etapas de evolución del diseño, se logran todos los objetivos de optimización (compacidad, adaptación de impedancia, mejora del ancho de banda, reducción del acoplamiento mutuo).

En esta sección, el fenómeno del ancho de banda más amplio y el alto aislamiento se explica con más detalle con la ayuda de modelos de elementos agrupados. Como se mencionó anteriormente, esta antena opera en modos de excitación dual (ver Fig. 6); por lo tanto, exhibe un amplio ancho de banda de impedancia de 10 dB. En consecuencia, cada modo de la antena se modela como un circuito RLC paralelo, como se muestra en la Fig. 7. Se utilizan transformadores de impedancia para acoplar cada antena radiante monopolo con la fuente. Además, \(M_{12}\) es el acoplamiento entre modos que es responsable de acoplar los dos modos excitados. De hecho, el acoplamiento adecuado entre los dos modos (\(M_{12}\)) garantiza un ancho de banda de impedancia amplio. En el caso de las antenas MIMO, siempre hay algún acoplamiento indeseable entre los elementos. Este acoplamiento indeseable entre los elementos de la antena se expresa como \(M_{a}\). Para reducir dicho acoplamiento, se utilizan diferentes técnicas de desacoplamiento. En este trabajo, utilizamos una estructura de suelo defectuosa y un trozo en forma de I para la reducción del acoplamiento. En consecuencia, también se agrega un circuito RLC de desacoplamiento (\(R_{c}\), \(L_{c}\), \(C_{c}\)), como se muestra en la Fig. 7. \(M_{d) }\) se refiere al acoplamiento de radiadores monopolo con circuito de desacoplamiento. Finalmente, este circuito se analiza y optimiza utilizando el Sistema de Diseño Avanzado (ADS) de Keysight. Los valores del circuito optimizado se tabulan en la Fig. 7. Los parámetros S del circuito optimizado se muestran en la Fig. 9, que coinciden bien con los resultados simulados (EM) y medidos.

Se utiliza una placa de circuito impreso (PCB) para fabricar la antena MIMO de banda ancha, sobre un sustrato Rogers RO3010 con una constante dieléctrica alta (\(\varepsilon _{r} = 10,2\)) y una tangente de baja pérdida (tan\(\delta = 0,0022\)). El tamaño total de la antena es \(5\times 4.2\times 0.12\, \hbox {mm}^{3}\). Para realizar las simulaciones se utiliza el software de simulación de alta frecuencia (HFSS) Ansys. El proceso de grabado químico se utiliza para fabricar el metal de la antena, los trozos y las estructuras de tierra defectuosas sobre un sustrato. La cubierta de la cápsula (con un diámetro \(= 8\) mm y una longitud \(= 17\) mm) está fabricada con material de alúmina utilizando tecnología de impresión 3D que se tiene en cuenta durante las simulaciones. La Figura 8 demuestra el entorno de medición del prototipo de antena fabricado y la cubierta de la cápsula. Los parámetros S medidos por la antena se obtienen insertando la cápsula en una muestra de carne picada. Además, para medir los patrones de radiación y la ganancia obtenida de la antena, la antena propuesta se coloca dentro de una cámara anecoica de antena.

Antena fabricada y su configuración de medición para parámetros S y patrones de radiación.

Parámetros S (EM: Simulaciones de modelos electromagnéticos; CM: Simulaciones de modelos de circuitos; Medida: Medida).

\(\hbox {J}_{{\mathrm{surf}}}\) a 2,45 GHz cuando (a) el puerto 1 de la antena está excitado y (b) el puerto 2 de la antena está excitado.

Los parámetros S de la antena implantable de banda ancha propuesta se muestran en la Fig. 9, que ilustra los resultados del simulador electromagnético 3D, el modelo de circuito equivalente (Fig. 7) y las mediciones tomadas del analizador de red vectorial. El coeficiente de reflexión de la antena (\(S_{11}\)) se iguala en la frecuencia central deseada (2,45 GHz) con un ancho de banda logrado de 10 dB de 620 MHz (2,15–2,77 GHz). El acoplamiento mutuo realizado (\(S_{21}\)) entre las dos partes de la antena es inferior a 28 dB (con un valor de acoplamiento mutuo de 30,1 dB a 2,45 GHz). A pesar del pequeño espacio de borde a borde de 0,5 mm entre las dos partes de la antena, el acoplamiento mutuo entre ellas es muy bajo. Los hallazgos muestran que todos los parámetros S medidos concuerdan bien con las simulaciones EM 3D y las simulaciones de modelos de circuitos equivalentes.

La Figura 10 presenta los resultados de la simulación de la distribución de corriente superficial (\(\hbox {J}_{{surf}}\)) en ambos elementos de antena. Mientras se simula el diseño en HFSS, la energía se aplica a un elemento mientras que el otro elemento termina con una carga de 50 \(\Omega\). En la Fig. 10a, el puerto del primer elemento (elemento derecho) está excitado. Se observa que la densidad de corriente superficial (\(\hbox {J}_{{surf}}\)) se concentra en el parche excitado sin una fuga de corriente máxima en el puerto terminado. El comportamiento se repite cuando el puerto del segundo elemento está excitado (elemento izquierdo), (como se muestra en la Fig. 10b) debido a la perfecta simetría de la estructura. Por lo tanto, se puede concluir que el aislamiento entre las dos partes de la antena funciona muy bien y la fuga de corriente entre ellas es mínima.

La Figura 11 presenta los patrones de radiación medidos y simulados en la frecuencia central de la antena (2,45 GHz). La medición de los patrones de radiación de la antena se realiza dentro de una cámara anecoica en los dos planos principales (plano XZ y plano YZ). Los patrones de radiación medidos por la antena están muy cerca de las simulaciones y tienen el mismo comportamiento en todas las direcciones. Los patrones de radiación son casi isotrópicos en ambos planos principales. Los patrones de radiación isotrópica son muy deseables en dispositivos biomédicos implantables ya que son capaces de transmitir/recibir ondas de información desde todas las direcciones. Estos patrones de radiación son más importantes para los implantes móviles, como los endoscopios de cápsula.

Patrón de radiación de la antena MIMO implantable de banda ancha propuesta a 2,45 GHz.

La Figura 12a ilustra los resultados de la simulación y la medición de la ganancia máxima obtenida frente a la frecuencia de la antena propuesta. Los resultados muestran que la ganancia máxima realizada de la antena es igual a \(-20.6 \,\hbox {dBi}\) a 2.45 GHz y la ganancia medida es casi similar a las de simulación.

Al igual que la biocompatibilidad de la antena y el dispositivo de cápsula, es necesario garantizar la seguridad humana en términos de potencia de entrada y análisis de SAR. De hecho, la potencia de entrada y el SAR son parámetros correlacionados. Más específicamente, aumentar la potencia de entrada aumenta el nivel de SAR. El nivel de SAR se puede calcular teóricamente utilizando la siguiente ecuación.

En la ecuación anterior (Ec. 3), \(\sigma\) es la conductividad del tejido, SAR es la tasa de absorción específica, E es el campo eléctrico y \(M_{d}\) es la densidad de masa.

(a) Ganancia máxima realizada de la antena en función de la frecuencia. (b) SAR de 10 g de la antena a 2,45 GHz40.

Según el estándar IEEE C95.1-2019, el valor máximo de SAR no debe exceder los 2 W/Kg (para 1 W de potencia de entrada) para el tejido de 10 g. Durante la simulación SAR (tejido de 10 g), cada puerto de la antena propuesta se excita con una potencia de entrada de 1 W. Además, la antena se coloca dentro de un dispositivo de cápsula y el mismo dispositivo se coloca en el abdomen de un cuerpo humano realista. . Con tales simulaciones a 2,45 GHz, se alcanza el valor máximo de SAR de 397 W/Kg, como se muestra en la Fig. 12b. Por tanto, cada antena aporta un SAR de 198,5 W/Kg al valor total. Utilizando este valor de SAR (198,5 W/Kg), cada elemento de esta antena puede soportar 10 mW de potencia de entrada. Cabe mencionar que este valor está calculado para una potencia de entrada de 1W; sin embargo, sólo se permiten -16 dBm de potencia de entrada (ITU-R RS.1346) en aplicaciones en tiempo real. El objetivo principal de mantener una potencia de entrada tan baja es reducir la interferencia de los dispositivos implantables con los dispositivos de comunicación cercanos. En consecuencia, la antena propuesta es segura para una potencia de entrada de 10 mW o menos. Estos resultados indican que esta antena es segura para ser utilizada en dispositivos biomédicos implantados profundamente.

Margen de enlace (en dB) de la antena MIMO implantable de banda ancha propuesta (la distancia entre el transmisor (Tx) y el receptor (Rx) varía).

Un parámetro importante que debe tenerse en cuenta en las antenas implantables es el margen presupuestario del enlace. Cubre el aspecto de calcular la velocidad de transferencia de datos y el área de cobertura de la antena antes de implantar el dispositivo en un cuerpo humano. El análisis del presupuesto del enlace se realiza según lo siguiente: (1) la antena MIMO implantable se utiliza como transmisor con una potencia de transmisión igual a -16 dBm y una ganancia realizada igual a \(-20,6 \,\hbox {dBi}\ ), (2) una antena dipolo del receptor (ganancia de 2 dBi) está situada a una distancia del transmisor, y (3) el margen del enlace se calcula aproximadamente a diferentes velocidades de datos (de 1 Mbps a 150 Mbps) a 2,45 GHz y se calcula a diferentes distancias entre el transmisor y el receptor utilizando la ecuación de transmisión de Friis13. El margen de enlace calculado (en dB) se demuestra en la Fig. 13 frente a la distancia entre las antenas transmisora ​​y receptora (en metros) para diversos niveles de velocidad de datos a 2,45 GHz. Los resultados muestran que el margen del enlace de salida es superior a 25 dB para una distancia de 3 m entre las antenas transmisora ​​y receptora con una alta velocidad de datos de hasta 120 Mbps. El presupuesto del margen del enlace es superior a 25 dB para 7 m con un nivel de velocidad de datos de 25 Mbps. Esto muestra que se logra un margen de enlace satisfactorio para transferir altas velocidades de datos, asegurando así un gran rendimiento en condiciones de alta pérdida o cualquier otro factor externo.

Resultados de ECC y DG de la configuración implantable de banda ancha sugerida.

Los parámetros del canal MIMO se calculan para evaluar la calidad del sistema MIMO. Estos parámetros incluyen el coeficiente de correlación de envolvente (ECC), la ganancia de diversidad (DG) y la capacidad del canal38.

La ECC de campo lejano de la antena MIMO propuesta frente a la frecuencia se muestra en la Fig. 14. Los valores de ECC se calculan a partir de los patrones de campo lejano utilizando la siguiente ecuación

donde \(\vec {An_{i}}(\theta ,\phi )\) es el patrón tridimensional de campo lejano de la primera antena y \(\vec {An_{j}}(\theta ,\phi )\) es el patrón tridimensional de campo lejano de la segunda antena. \(\Omega\) es el ángulo sólido. Los cálculos muestran que los valores de ECC están por debajo de 0,11 dentro del rango de frecuencia de banda ancha deseado de 2,15 a 2,77 GHz. Vale la pena mencionar que un valor de 0,1 ECC se considera una cifra justa para los sistemas MIMO.

CC versus SNR para la antena MIMO implantable de banda ancha con tres sistemas diferentes (SISO, MIMO ideal y MIMO propuesto).

La ganancia de diversidad (DG) de la antena sugerida versus la frecuencia se muestra en la Fig. 14. Los valores de DG se calculan a partir de ECC utilizando la siguiente ecuación

Se puede observar que la ganancia de diversidad de la antena propuesta es superior a 9,9 dB dentro del rango de frecuencia deseado (2,15–2,77 GHz), lo que hace que este diseño sea una buena opción para aplicaciones médicas inalámbricas.

Otro factor importante para evaluar la antena MIMO propuesta es la capacidad del canal (CC). La capacidad del canal de la topología MIMO se puede calcular a partir de los patrones de radiación de la antena a través de la matriz de canales que se puede derivar utilizando la ecuación. (6)41.

donde CC es la capacidad del canal, SNR es la relación señal-ruido, N es la potencia de ruido, H e I son el canal y la matriz de identidad, respectivamente.

La capacidad del canal (en bps/Hz) se representa (en la Fig. 15) frente a la SNR (en dB) para tres sistemas diferentes: (a) un SISO ideal, (b) una antena \(2\times 2\) MIMO ideal y (c) el sistema de antena MIMO \(2\times 2\) propuesto. Los resultados muestran que el CC de la antena MIMO propuesta es de 8,2 bps/Hz a una SNR de 20 dB, que es mayor que los sistemas SISO ideales (con un CC de 5,79 bps/Hz). Como conclusión, la antena MIMO propuesta tiene un mejor rendimiento en comparación con los sistemas SISO ideales, lo que convierte a esta antena en una excelente candidata para aplicaciones biomédicas con altas velocidades de datos.

Para comprender mejor la capacidad de funcionamiento de la antena propuesta, se realizan experimentos utilizando radios definidas por software (SDR), como se muestra en la Fig. 16. En este experimento, dos SDR (uno en el modo de transmisión y otro en el modo de recepción) son usado. Además, como antena receptora se utiliza una antena dipolo, con una ganancia de 2 dBi. La antena propuesta se coloca dentro de la carne picada. Ambos SDR están conectados a una computadora portátil, como se muestra en la Fig. 16. Se genera una señal modulada de frecuencia estrecha (NFW) de 20 MHz mediante la transmisión de SDR y se transmite a través de la antena propuesta. Se conecta una antena dipolo, con una ganancia de 2 dBi, al SDR receptor para recibir dicha señal. El SDR receptor está conectado con una computadora portátil. La señal transmitida se recibe con éxito en el extremo receptor; así, esta antena tiene la capacidad de realizar telemetría en escenarios reales.

(a) Diagrama de bloques del experimento. (b) Configuración experimental para la medición práctica de la antena propuesta.

Al final se incluye una tabla comparativa (Tabla 1) para resumir el trabajo propuesto y compararlo con antenas implantables de última generación. En comparación con trabajos publicados anteriormente, nuestro trabajo tiene ventajas en términos de ancho de banda de impedancia amplia, tamaño compacto y alto aislamiento.

Se propone, diseña y mide una antena MIMO de dos elementos de bajo tamaño, banda ancha, compacta y altamente aislada para cápsula endoscópica inalámbrica a 2,45 GHz. Se ha optado por una geometría monopolo serpenteante, una estructura de tierra defectuosa y una alta permitividad del sustrato para mantener el tamaño de la antena compacto (5 × 4,2 × 0,12 mm3). Se ha utilizado una estructura de tierra defectuosa para excitar modos duales con el fin de lograr un ancho de banda más amplio de 620 MHz (2,15–2,77 GHz). Utilizando la combinación de una estructura de tierra defectuosa y un trozo en forma de I, se logró un menor acoplamiento mutuo entre las antenas (30,1 dB a 2,45 GHz) a pesar de una pequeña separación de borde a borde de 0,5 mm. Teniendo en cuenta la configuración a nivel del sistema, esta antena se simuló y midió dentro de un dispositivo de cápsula considerando los efectos de otros componentes y del propio dispositivo. Las medidas prácticas se han realizado introduciendo el dispositivo cápsula (que contiene la antena MIMO) en el interior de carne de cerdo picada. Tiene una ganancia máxima medida medida de \(-22,7\) dBi. Se ha verificado que ECC, DG y CC muestran desempeños satisfactorios. La antena diseñada tiene una alta capacidad de canal (\(\approx 8.2 \,\hbox {bps/Hz}\) a \(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {dB}\)) que las antenas SISO; por lo tanto, es una opción adecuada para aplicaciones endoscópicas con cápsula de alta velocidad de datos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Este trabajo fue apoyado y financiado por la Beca de Investigación N. de la Universidad de Kuwait [EE01/20].

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería y Petróleo, Universidad de Kuwait, Ciudad de Kuwait, 13060, Kuwait

Abdullah J. Alazemi

Centro de Tecnología Inalámbrica (CWT), Facultad de Ingeniería, Universidad Multimedia, Cyberjaya, Malasia

Amjad Iqbal

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AA hizo la metodología y el análisis del diseño, AI hizo las mediciones del diseño y la adquisición de datos, AA escribió el texto principal del manuscrito y preparó las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Abdullah J. Alazemi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Alazemi, AJ, Iqbal, A. Una antena MIMO compacta y de banda ancha para cápsulas biomédicas ingeribles de alta velocidad de datos. Informe científico 12, 14290 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18468-2

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Recibido: 25 de marzo de 2022

Aceptado: 12 de agosto de 2022

Publicado: 22 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18468-2

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