Une antenne MIMO compacte et large bande pour une haute

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14290 (2022) Citer cet article

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Grâce aux progrès récents des caméras CMOS (Métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire), le transfert d'images et de vidéos haute résolution est possible en endoscopie par capsule sans fil. Une communication à haut débit est requise pour ces données, ce qui est possible à l'aide d'antennes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO). Dans cet article, une antenne MIMO à deux éléments de petite taille, compacte, à haut débit et hautement isolée avec une large bande passante a été proposée à 2,45 GHz pour l'endoscopie par capsule sans fil. La géométrie de l'antenne (\(5\times 4,2 \times 0,12\,\hbox {mm}^{3}\)) est maintenue petite grâce à une géométrie en méandres, une structure de sol défectueuse et une permittivité élevée du substrat. Une bande passante plus large de 620 MHz (2,15 à 2,77 GHz) est obtenue en excitant les doubles modes de l'antenne utilisant une structure au sol défectueuse. De plus, un couplage mutuel plus faible entre les antennes (30,1 dB à 2,45 GHz) est obtenu, malgré le petit écart bord à bord de 0,5 mm, en utilisant une combinaison d'une structure de sol défectueuse et d'un tronçon en forme de I. En gardant à l'esprit la configuration au niveau du système, cette antenne est simulée et mesurée à l'intérieur d'un dispositif capsule en tenant compte des effets des autres composants et du dispositif lui-même. Les mesures pratiques sont réalisées en insérant le dispositif capsule (contenant l'antenne MIMO) à l'intérieur de la viande hachée. Pour vérifier la sécurité et l'efficacité de l'antenne MIMO proposée, son débit d'absorption spécifique (DAS) et son bilan de liaison sont calculés et validés. De plus, les spécifications du canal \(2\times 2\) sont vérifiées, ce qui montre des performances satisfaisantes. Cette antenne a une capacité de canal élevée (\(\environ 8,2 \,\hbox {bps/Hz}\) à \(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {dB}\)) qu'une antenne à entrée unique. Les antennes de sortie (SISO) constituent donc un choix approprié pour les dispositifs endoscopiques à capsule à haut débit. À la connaissance des auteurs, il s'agit de la première antenne MIMO implantable signalée jusqu'à présent avec une dimension aussi inférieure et une bande passante plus large.

Pour les patients souffrant de maladies liées à leurs organes internes, la surveillance continue de leur état nécessite leur présence physique dans les hôpitaux pendant des périodes prolongées. Pour aider ces patients et d'autres personnes souffrant de maladies similaires, des efforts de recherche récents ont ciblé le développement de systèmes de surveillance des patients sans fil qui collectent les données requises auprès des patients dans le confort de leur foyer, sans qu'il soit nécessaire d'être à l'hôpital à cette fin. De tels systèmes nécessitent l'insertion d'un dispositif de détection médicale à l'intérieur du corps (implantable ou ingérable), et cet appareil comprend un émetteur pour envoyer les données sans fil à un appareil externe. Ensuite, les informations reçues peuvent être facilement transférées à l'hôpital pour une analyse en temps réel et un rapport d'urgence. Ce concept est démontré sur la figure 1 pour les capsules ingérables en tant que dispositifs de détection utilisés pour surveiller les patients atteints de maladies intestinales. Une capsule de ce type est un système intégré composé des capteurs requis, d'une caméra, d'une antenne, de batteries et d'un PCB. La conception de telles capsules et de dispositifs de détection médicaux similaires a été abordée dans des travaux récents pour différentes applications médicales1. Par exemple, des systèmes de surveillance de la pression intraoculaire dans le glaucome ont été présentés dans1,2 et pour les taux de glucose dans3,4.

Le concept de système de surveillance des patients sans fil utilisant une capsule ingérable.

Outre la surveillance sans fil des patients, des dispositifs de détection médicaux implantables ont été développés pour d'autres applications médicales telles que l'enregistrement et la stimulation de signaux neuronaux5,6,7, le contrôle du rythme cardiaque8,9 et la réalisation d'endoscopies par capsule10,11. Un élément clé des systèmes implantables mentionnés ci-dessus est l’antenne émettrice pour laquelle deux paramètres de conception sont d’une extrême importance : la taille et le débit de données12. La réduction de la taille des antennes implantables doit être abordée en utilisant des méthodes qui ne dégradent pas le débit de données et les performances de communication. Ceci a été réalisé dans la littérature en utilisant les structures et techniques suivantes : chargement réactif13, substrats à permittivité élevée14, structures à ondes lentes15 et résonateurs à méandres16. Une autre préoccupation lors de la conception d’une antenne implantable est la distorsion des trajets multiples (causée par la perte de tissus humains) à l’intérieur du corps humain17. Une façon d'atténuer les effets de distorsion dans les antennes implantables monobande consiste à utiliser des conceptions à polarisation circulaire telles que celles présentées dans 18,19. Une autre façon consiste à déployer des antennes implantables multi-ou large bande telles que les conceptions rapportées dans20,21 pour un fonctionnement bi-bande22,23, pour un fonctionnement triple-bande24,25, pour un fonctionnement quadri-bande et26,27 pour un fonctionnement large bande. opération. Cependant, les débits de données obtenus à l'aide des techniques susmentionnées ne sont pas aussi souhaitables pour les applications médicales en temps réel. Pour améliorer encore le débit de données des antennes implantables, une configuration à entrées multiples et sorties multiples (MIMO)28,29 peut être utilisée à la place de la configuration à entrée unique et sortie unique (SISO)30,31. Par exemple, l’antenne implantable MIMO rapportée dans32 a été utilisée pour l’imagerie haute résolution nécessitant des débits de données élevés. Il utilisait deux antennes pour transmettre des images haute résolution capturées à l’aide d’un endoscope à capsule sans fil. Le principal avantage de cette antenne était ses débits de données élevés par rapport aux autres antennes SISO conventionnelles. Cependant, il présente les inconvénients d’une bande passante étroite, d’une isolation moindre et d’une grande taille. Des antennes MIMO comportant deux éléments ou plus ont également été signalées dans la littérature pour les applications médicales d'antennes implantables33,34,35. In33, une antenne MIMO implantable à deux éléments a été conçue en utilisant un radiateur en spirale et un plan de masse en ligne hélicoïdale. Tout comme les autres antennes MIMO, elle peut prendre en charge des débits de données élevés sans puissance ni fréquence supplémentaires. Cependant, il présente les inconvénients de grandes dimensions, d'un faible niveau d'isolation et d'une bande passante limitée à 10 dB. In34, une antenne MIMO à quatre éléments a été conçue sur la bande ISM de 2,45 GHz pour les dispositifs médicaux implantables. L'antenne est basée sur des structures à bande interdite électromagnétique (EBG) et un plan de masse partiel. Les principales limites de cette antenne sont sa bande passante étroite, ses grandes dimensions et son niveau d'isolation inférieur. En32, un système à double antenne a été introduit pour les applications de biotélémétrie à haut débit. Cette antenne présente l'avantage d'un niveau d'isolation élevé mais souffre d'une bande passante étroite et d'une grande taille. Dans36, l'étude de couplage mutula de l'antenne MIMO implantée dans le corps a été réalisée. Comparée à d'autres antennes, elle a des dimensions relativement petites mais au détriment d'une bande passante extrêmement étroite et de grandes dimensions. Les auteurs de37 ont conçu une antenne MIMO à haut débit pour les applications biomédicales. Il présente un bon gain réalisé mais souffre d'une bande passante étroite, d'une grande taille et d'un niveau d'isolation inférieur. Dans38, les auteurs ont conçu une antenne MIMO pour dispositifs médicaux implantables en profondeur. Il couvre une bande passante de 320 MHz centrée à 2,45 GHz. Cette antenne présente plusieurs caractéristiques intéressantes (débit de données élevé, bonne capacité de canal et bon gain de crête, etc.), mais souffre d'une grande taille, d'une bande passante limitée et d'une isolation moindre. Bien qu’il ait été prouvé que les antennes MIMO augmentent les débits de données, cette augmentation se fait toutefois au détriment d’appareils encombrants36,37,38. Par conséquent, l’utilisation d’éléments compacts constitue la principale approche pour réduire la taille du dispositif. Cependant, la réduction de la taille des antennes MIMO doit être effectuée de manière à maintenir une isolation élevée entre les éléments.