コンパクトかつ広帯域の MIMO アンテナ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14290 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

最近の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) カメラの進歩により、ワイヤレスカプセル内視鏡で高解像度の画像やビデオを転送することが可能になりました。 このようなデータには高速データ通信が必要ですが、これは多入力多出力 (MIMO) アンテナを使用することで可能になります。 この論文では、無線カプセル内視鏡用に、2.45 GHz で広い帯域幅を備えた、小型、コンパクト、高データレート、高度に分離された 2 素子 MIMO アンテナが提案されています。 アンテナの形状 (\(5\times 4.2 \times 0.12\,\hbox {mm}^{3}\)) は、蛇行した形状、欠陥のあるグランド構造、および基板の高誘電率を使用して小さく保たれます。 欠陥のある接地構造を使用してアンテナのデュアルモードを励起することにより、620 MHz (2.15 ～ 2.77 GHz) のより広い帯域幅が実現されます。 さらに、欠陥グランド構造と I 字型スタブの組み合わせにより、エッジ間ギャップが 0.5 mm と小さいにもかかわらず、アンテナ間のより低い相互結合 (2.45 GHz で 30.1 dB) が実現されています。 システムレベルの構成を念頭に置き、他のコンポーネントやデバイス自体の影響を考慮して、このアンテナをカプセルデバイス内でシミュレートおよび測定します。 実際の測定は、MIMOアンテナを内蔵したカプセル型デバイスをひき肉の中に挿入して行います。 提案された MIMO アンテナの安全性と有効性を確認するために、その比吸収率 (SAR) とリンク バジェットが計算され、検証されます。 さらに、\(2\times 2\) チャネル仕様が検証され、満足のいくパフォーマンスが示されています。 このアンテナは、単一入力単一アンテナよりも高いチャネル容量 (\(\約 8.2 \,\hbox {bps/Hz}\) (\(\hbox {SNR} = 20 \,\hbox {dB}\)) を備えています。したがって、出力 (SISO) アンテナは、高データレートのカプセル内視鏡デバイスに適した選択肢です。 著者の知る限り、これは、これほど低い次元とより広い帯域幅を備えた、これまでに報告された最初の埋め込み型 MIMO アンテナです。

内臓に関連する病気を患っている患者の場合、状態を継続的に監視するには、長期間病院に物理的に滞在する必要があります。 このような患者や同様の症状を持つ患者を支援するために、最近の研究活動では、病院に行く必要がなく、快適な自宅で患者から必要なデータを収集するワイヤレス患者監視システムの開発が目標とされています。 このようなシステムでは、医療用センシング デバイスを体内に挿入する必要があり (埋め込み型または摂取型)、このデバイスにはデータを外部デバイスに無線で送信する送信機が含まれています。 次に、受信した情報を病院に簡単に転送して、リアルタイムの分析や緊急報告を行うことができます。 この概念は、腸疾患患者のモニタリングに使用される感知デバイスとしての摂取可能なカプセルについて、図 1 に示されています。 このタイプのカプセルは、必要なセンサー、カメラ、アンテナ、バッテリー、PCB で構成される統合システムです。 このようなカプセルや同様の医療センシングデバイスの設計は、さまざまな医療用途向けの最近の研究で取り上げられています1。 たとえば、緑内障の眼圧のモニタリング システムは 1、2 で、血糖値のモニタリング システムは 3、4 で紹介されています。

摂取可能なカプセルを使用したワイヤレス患者モニタリング システムのコンセプト。

埋め込み型医療センシングデバイスは、ワイヤレス患者モニタリングのほかに、神経信号の記録と刺激5、6、7、心拍制御8、9、カプセル内視鏡検査10、11などの他の医療用途向けに開発されました。 前述の埋め込み型システムの重要なコンポーネントは送信アンテナであり、サイズとデータ レートという 2 つの設計パラメータが非常に重要です12。 埋め込み型アンテナのサイズ縮小には、データ レートと通信パフォーマンスを低下させない方法を使用して取り組む必要があります。 これは文献では、反応性負荷 13、高誘電率の基板 14、遅波構造 15、蛇行共振器 16 の構造と技術を使用することによって達成されています。 埋め込み型アンテナを設計する際のもう 1 つの懸念事項は、人体内のマルチパス歪み (損失のある人体組織が原因) です 17。 シングルバンド埋め込み型アンテナの歪みの影響を軽減する 1 つの方法は、18、19 で紹介されているような円偏波設計を使用することです。 別の方法は、デュアルバンド動作の場合 20,21、トリプルバンド動作の場合 24,25、およびワイドバンド動作の場合 26,27 で報告されている設計など、マルチバンドまたはワイドバンドの埋め込み型アンテナを展開することです。手術。 しかし、前述の技術を使用して達成されるデータ速度は、リアルタイムの医療アプリケーションにとってはそれほど望ましいものではありません。 埋め込み型アンテナのデータレートをさらに向上させるには、単入力単出力 (SISO) 構成 30、31 の代わりに多入力多出力 (MIMO) 構成 28、29 を使用できます。 たとえば、32 で報告された MIMO 埋め込み型アンテナは、高いデータ レートを必要とする高解像度イメージングに使用されました。 ワイヤレスカプセル内視鏡で撮影した高解像度画像を送信するために2本のアンテナを使用しました。 このアンテナの主な利点は、他の従来の SISO アンテナと比較してデータ レートが高いことでした。 ただし、帯域幅が狭い、アイソレーションが低い、サイズが大きいというデメリットがあります。 2 つ以上の要素を備えた MIMO アンテナも、埋め込み型アンテナの医療用途に関する文献で報告されています 33、34、35。 In33 では、スパイラル ラジエーターとヘリックス ライン グランド プレーンを使用して、デュアル エレメントの埋め込み型 MIMO アンテナが設計されています。 他の MIMO アンテナと同様に、追加の電力や周波数を必要とせずに高いデータ レートをサポートできます。 ただし、寸法が大きく、分離レベルが低く、帯域幅が 10 dB に制限されているという欠点があります。 In34 では、埋め込み型医療機器向けに 2.45 GHz ISM 帯域で 4 素子 MIMO アンテナが設計されています。 このアンテナは、電磁バンドギャップ (EBG) 構造と部分的なグランド プレーンに基づいています。 このアンテナの主な制限は、帯域幅が狭く、寸法が大きく、分離レベルが低いことです。 In32 では、高速データ レートのバイオテレメトリー アプリケーション向けにデュアル アンテナ システムが導入されました。 このアンテナは、高い分離レベルという点で利点がありますが、帯域幅が狭く、サイズが大きいという欠点があります。 36 年には、体内埋め込み型 MIMO アンテナの相互結合研究が行われています。 他のアンテナと比較すると、寸法は比較的小さいですが、帯域幅が非常に狭くなり、寸法が大きくなります。 の著者らは、生物医学用途向けに高速データレートの MIMO アンテナを設計しました。 実現利得は良好ですが、帯域幅が狭く、サイズが大きく、分離レベルが低いという欠点があります。 38 年に、著者らは深部埋め込み型医療機器用の MIMO アンテナを設計しました。 2.45 GHz を中心とする 320 MHz の帯域幅をカバーします。 このアンテナにはいくつかの優れた特徴 (高いデータレート、優れたチャネル容量、優れたピークゲインなど) がありますが、サイズが大きく、帯域幅が限られ、絶縁性が低いという欠点があります。 MIMO アンテナはデータ レートを向上させることが証明されていますが、この増加にはかさばるデバイスが犠牲になります 36、37、38。 したがって、デバイスサイズを縮小するには、コンパクトな素子を使用することが主なアプローチです。 ただし、MIMO アンテナのサイズを縮小するには、要素間の高い分離を維持する方法で行う必要があります。