JP3246306U - IMPORTANT ANTENNA FOR IOT-BASED HEALTH MONITORING DEVICES - Google Patents
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Abstract
【課題】IoTベースの健康監視デバイス用埋め込み型アンテナを提供する。【解決手段】埋め込み型アンテナ100は、基板102の前面に無給電放射パッチ104、放射パッチ106、給電線108、および基板の背面のリング状スロット付きグランド110を備える。このような構成により、アンテナ100のインピーダンスが安定し、医療用途に適用できるようになる。【選択図】図1An implantable antenna for an IoT-based health monitoring device is provided. The implantable antenna 100 includes a parasitic radiating patch 104, a radiating patch 106, a feed line 108 on the front side of a substrate 102, and a ring-shaped slotted ground 110 on the back side of the substrate. This configuration stabilizes the impedance of the antenna 100, making it suitable for medical applications. (Selected Figure)
Description
本開示は、無線通信用のアンテナの分野に関する。より具体的には、本開示は、IoTベースの健康監視デバイス用の埋め込み型アンテナに関する。 The present disclosure relates to the field of antennas for wireless communications. More specifically, the present disclosure relates to an implantable antenna for an IoT-based health monitoring device.
低電力、小型化された電子デバイスとセンサーの急速な改良を通じて、埋め込み型医療デバイス(IMD)に対する研究者の関心は非常に高まっている。IMDの潜在的な用途には、神経刺激、治療薬、病気の診断と治療、および深部身体通信、および高レベルの精度の薬物送達デバイスが含まれる。アンテナは、外部モニタリングデバイスを使用したワイヤレスバイオテレメトリ用の埋め込み型医療デバイスの重要な部分である。したがって、埋め込み型デバイスには、より高い利得と低い比吸収率を備え、単一指向性放射パターンを備えたアンテナが必要となる。 Through the rapid improvement of low-power, miniaturized electronic devices and sensors, implantable medical devices (IMDs) have attracted much interest from researchers. Potential applications of IMDs include neurostimulation, therapeutics, disease diagnosis and treatment, and deep body communication, as well as drug delivery devices with a high level of precision. Antennas are an important part of implantable medical devices for wireless biotelemetry with external monitoring devices. Therefore, implantable devices require antennas with higher gain, lower specific absorption rate, and unidirectional radiation pattern.
しかし、生体組織の複雑で損失の多い環境では、コンパクトなアンテナ構造で安定した放射特性とインピーダンス整合を維持することは困難である。 However, in the complex and lossy environment of biological tissue, it is difficult to maintain stable radiation characteristics and impedance matching in a compact antenna structure.
上述の問題を解決しようとする従来技術が数多く存在する。例えば、EBGと反射体の表面構造は、生体組織におけるEM波の吸収を軽減する。それは、アンテナのコストおよび複雑さが増大する。 There are many prior art techniques that attempt to solve the problems mentioned above. For example, EBGs and reflector surface structures reduce the absorption of EM waves in biological tissue, which increases the cost and complexity of the antenna.
もう1つの従来の従来技術は、スタックと寄生パッチを取得するものである。このような技術は、より広いインピーダンス帯域幅を達成するために使用される。しかしながら、多層構造が必要となり、表面電流損失が増加する。 Another conventional technique is to obtain stacks and parasitic patches. Such techniques are used to achieve a wider impedance bandwidth. However, multi-layer structures are required, which increases the surface current losses.
もう1つの従来の従来技術は、ピンのショートである。そのような技術はアンテナの寸法を最小限に抑えるために使用されるが、帯域幅の周波数スペクトルが狭くなる。 Another conventional technique is pin shorting. Such a technique is used to minimize the size of the antenna, but it narrows the bandwidth frequency spectrum.
したがって、前述の目的を取り除くための代替手段が必要とされている。 Therefore, an alternative is needed to eliminate the aforementioned objectives.
(デバイスの概要)
本開示は、基板102の前面にある無給電放射パッチ104、放射パッチ106、給電線108、および基板の背面のリング状スロット付きグランド110を備える、埋め込み型アンテナ100を開示する。このような構成により、アンテナ100のインピーダンスが安定し、医療用途に適用できるようになる。
(Device Overview)
The present disclosure discloses an implantable antenna 100 comprising a parasitic radiating patch 104 on the front side of a substrate 102, a radiating patch 106, a feed line 108, and a ring-shaped slotted ground 110 on the back side of the substrate. Such a configuration makes the impedance of the antenna 100 stable and applicable for medical applications.
(デバイスの有利な効果)
本開示は、以下の利点を有する埋め込み型アンテナを開示する:
(1)厚さ0.25mmの薄型フレキシブル基板R0 3010上で非常にコンパクトなサイズ(10mm×10mm)。
(2)0.86GHz ISM帯域、1.43GHz WMTS帯域、および2.6~6.0GHzの上位UWBでのトリプルバンド共振により、IoTベースの健康監視IoTデバイスとのさまざまな通信規格をサポートする。
(3)3つの動作帯域に対して116MHz、120MHz、および3.6GHzの広い帯域幅による良好なインピーダンス整合。
(4)ブロードサイドのような放射特性を備えた-26dBi、-23dBi、および-16dBiの優れたゲイン。
(5)体内用途に対応。
(6)入力電力10mWに対して0.534W/Kg.、0.653W/Kg.、0.529W/Kg.の低SAR。
(Advantageous Effects of the Device)
The present disclosure discloses an embedded antenna having the following advantages:
(1) Very compact size (10 mm × 10 mm) on a thin flexible substrate RO 3010 with a thickness of 0.25 mm.
(2) Triple-band resonance at 0.86 GHz ISM band, 1.43 GHz WMTS band, and upper UWB from 2.6 to 6.0 GHz supports various communication standards with IoT-based health monitoring IoT devices.
(3) Good impedance matching with wide bandwidth of 116 MHz, 120 MHz, and 3.6 GHz for the three operating bands.
(4) Excellent gain of -26 dBi, -23 dBi, and -16 dBi with broadside-like radiation characteristics.
(5) Suitable for internal use.
(6) Low SAR of 0.534 W/Kg., 0.653 W/Kg., and 0.529 W/Kg. for an input power of 10 mW.
(実施形態の説明)
図1は、埋め込み型アンテナ100の基板102の前面を開示する。前面に、埋め込み型アンテナ100は、基板102の前面に無給電放射パッチ104、放射パッチ106、給電線108、および基板102の背面にリング状スロット付きグランド110を備える。生体組織内でアンテナを使用するため、放射体とグランドは誘電体材料層(RO 3010)で覆われている。これはアンテナの導体部分を損失性の組織層から絶縁し、共振周波数を下げることにも寄与する。広帯域化を達成するための提案された構造の設計評価を3つのステップで説明する。最初に、自由空間におけるアンテナ設計方程式により、0.868GHz ISM帯域の最低共振周波数にしたがって、放射体の長さと幅の寸法を見積もる。複数の共振帯域を得るために、非同期蛇行放射器(Asynchronous-meandered radiator)とオープンエンドの正方形ループ型グランドプレーンを設計する。WMTS帯域での共振を得るために、3スロットの蛇行素子(meandered element)を追加して放射体の長さを長くする。このような改変はアンテナの性能に大きな影響を与える。ミドルバンドは所望の範囲に調整されている。逆U字型の無給電共振体を放熱体の周囲に配置する。無給電共振体と放熱体と間のカップリング効果により、2.7GHzと3.05GHzの共振モードを励起する。その結果、オープンエンドの正方形リンググランド、無給電共振体、および蛇行パッチを埋め込んだコンパクトなトリプルバンドアンテナは、バイオテレメトリーシステムに必要な機能を確立する。
(Description of the embodiment)
FIG. 1 discloses the front side of the substrate 102 of the implantable antenna 100. On the front side, the implantable antenna 100 includes a parasitic radiating patch 104, a radiating patch 106, a feed line 108 on the front side of the substrate 102, and a ring-shaped slotted ground 110 on the back side of the substrate 102. To use the antenna in biological tissue, the radiator and ground are covered with a dielectric material layer (RO 3010). This isolates the conductor part of the antenna from the lossy tissue layer and also helps to lower the resonant frequency. The design evaluation of the proposed structure to achieve broadband is described in three steps. First, the length and width dimensions of the radiator are estimated according to the lowest resonant frequency of the 0.868 GHz ISM band by the antenna design equation in free space. To obtain multiple resonant bands, an asynchronous-meandered radiator and an open-ended square loop ground plane are designed. To obtain resonance in the WMTS band, a three-slot meandered element is added to increase the length of the radiator. Such modifications have a significant impact on the performance of the antenna. The middle band is tuned to the desired range. An inverted U-shaped parasitic resonator is placed around the heat sink. The coupling effect between the parasitic resonator and the heat sink excites the resonance modes at 2.7 GHz and 3.05 GHz. As a result, a compact triple-band antenna with an open-ended square ring ground, a parasitic resonator, and a meandered patch embedded in it establishes the necessary functions for the biotelemetry system.
アンテナ100を筋肉組織に7mmの深さで埋め込むための数値組織モデルを設計する。トライバンド移植のためのプロトタイプは、欠陥のあるグランド構造と非同期の蛇行スロットを用いて設計された。アンテナ放射体は、図1と図2に示すように、三重共振周波数を達成するために段階的に改変される。アンテナを体組織から絶縁するため、導体部分にスーパーストレート層を追加する。シミュレータにより、0.86GHz ISM帯域、1.43GHz WMTS帯域、および2.6~6.0GHz上位UWBにおける、生体環境に適合したアンテナ100の特性を得た。 A numerical tissue model is designed to embed the antenna 100 in muscle tissue at a depth of 7 mm. A prototype for tri-band implantation is designed with a defected ground structure and an unsynchronized serpentine slot. The antenna radiator is modified stepwise to achieve triple resonant frequencies as shown in Figures 1 and 2. A superstrate layer is added to the conductor section to isolate the antenna from body tissue. The simulator obtains the characteristics of the antenna 100 adapted to the biological environment in the 0.86 GHz ISM band, the 1.43 GHz WMTS band, and the 2.6-6.0 GHz upper UWB.
本開示は、医療用途にとって有益である。
The present disclosure is beneficial for medical applications.
Claims (1)
An embedded antenna 100 comprising a parasitic radiating patch 104, a radiating patch 106, a feed line 108 on a front surface of a substrate 102, and a ring-shaped slotted ground 110 on a rear surface of said substrate 102.
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