Die Patch-Antenne ist 20 mm (quer zur Brustrichtung) mal 32 mm (Kopf-Fuß-Richtung) groß und hat ein verlustfreies dielektrisches Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 9,5. Der Patch ist 2 mm dick, die Grundplatte und der Patch-Strahler haben die gleichen Abmessungen. Die Patch-Einspeisung ist von der Mitte des Patchs in der vertikalen (langen) Dimension versetzt.
Die ersten Berechnungen gelten für die Patch-Antenne im freien Raum. In Erwartung der Verwendung eines 2-mm-Körpernetzes wird das Patch zunächst mit 2-mm-FDTD-Zellen vernetzt. Eine 3D-Darstellung des Netzes zeigt die versetzte Einspeisungsposition in Abbildung 1. Alle Berechnungen erfolgen bei 2,45 GHz.
Abbildung 1: Netzdarstellung der Patch-Antenne mit versetzter Einspeisung.
Erste Berechnungen für die Patch-Antenne im freien Raum ergaben eine Eingangsimpedanz von 0,025 + j 11,8 Ohm mit 100 % Wirkungsgrad. Das Strahlungsdiagramm in Bezug auf eine isotrope Antenne für die horizontale Ebene ist in Abbildung 2 dargestellt. Die blaue Linie ist für E theta (vertikale) Polarisation und die rote Linie für E phi (horizontale) Polarisation.
Abbildung 2: Fernzonenverstärkung des Patch im freien Raum.
Die transienten elektrischen Felder der Nahzone in der Ebene der Patch-Antenne sind in Abbildung 3 dargestellt. Das stationäre elektrische Feld im Nahbereich ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 3: Elektrische Felder im Zeitbereich.
Abbildung 4: Elektrische Felder im stationären Zustand im Frequenzbereich.
Als nächstes wird ein 2 mm dickes menschliches Körpernetz, das mit VariPose erstellt wurde, als Netzobjekt in XFdtd importiert, und die Patch-Antenne wird in das Körpernetz eingefügt. Abbildung 5 zeigt einen Schnitt durch das Körpernetz mit der Patch-Antenne. Der Patch befindet sich einige Millimeter innerhalb des Brustkorbs nahe der Körpervorderseite. In dieser Abbildung blickt der Körper auf den Leser, d. h. aus der Seite heraus.
Abbildung 5: Netz der Patch-Antenne im Körper.
Nach Abschluss der Berechnung stellt XFdtd fest, dass die Impedanz der Patch-Antenne im menschlichen Körper 5,42 + j 19,1 Ohm mit einem Wirkungsgrad von 0,21 % beträgt. Das Fernzonen-Strahlungsdiagramm für die Patch-Antenne im Inneren des Körpers zeigt die Verringerung des Gewinns aufgrund der Verluste im Körpergewebe. Der Körper ist in einem Winkel von 0 Grad ausgerichtet, wobei die (linke) Schulter, auf der sich die Patch-Antenne befindet, in einem Winkel von 90 Grad liegt, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 7 zeigt eine 3D-Ansicht der transienten elektrischen Felder außerhalb des Körpernetzes.
Abbildung 6: Verstärkung der Fernzone des Patchs im Körper.
Abbildung 7: Ein Ausschnitt der Zeitbereichsfelder durch den Brustkorb.
Abbildung 8, Abbildung 9 und Abbildung 10 zeigen transiente elektrische Felder in verschiedenen Maschenschnitten für die Patch-Antenne im Inneren des Körpers. Die CAD-Anzeige des Körpergewebes und der Patch-Antenne ist ausgeschaltet, um die internen Felder zu sehen.
Abbildung 8: Ein Ausschnitt der Zeitbereichsfelder durch den Körper.
Abbildung 9: Ein Ausschnitt der Zeitbereichsfelder durch den Brustkorb (Körperrendering ist eingeschaltet).
Abbildung 10: Ein Ausschnitt der Zeitbereichsfelder durch den Brustkorb (Körperrendering ist ausgeschaltet).
Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen stationäre elektrische Felder in der Ebene der Patch-Antenne. Auch hier ist in einer Abbildung die CAD-Anzeige ausgeschaltet.
Abbildung 11: Ein Dia von Frequenzbereichsfeldern durch den Brustkorb (Körperrendering ist eingeschaltet).
Abbildung 12: Ein Ausschnitt der Frequenzbereichsfelder durch den Brustkorb.
Die letzte Berechnung betrifft die spezifische Absorptionsrate (SAR). Um die Berechnungszeit zu verkürzen, wird nur der Brustbereich des Netzes für die SAR-Berechnungen verwendet. Eine Ansicht des Brustkorbs mit transienten Feldern im Nahbereich ist in Abbildung 13 dargestellt.
Abbildung 13: Automatischer Bereich der 1-Gramm-SAR-Mittelung um die Antenne.
Abbildung 14: SAR-Ergebnisse skaliert auf 1 Watt Eingangsleistung.
Dieses Beispiel veranschaulicht nur die grundlegendste Anwendung von XFdtd auf diese Geometrie. XFdtd könnte verwendet werden, um das Design der Patch-Antenne zu verbessern, damit sie bei den gewünschten Übertragungsfrequenzen in Resonanz tritt, die Strahlung verbessert und die SAR reduziert wird. Die Auswirkungen auf die SAR und die Strahlung, die sich ergeben, wenn die Patch-Antenne an verschiedenen Stellen des Körpers angebracht wird, könnten ebenfalls mit XFdtd untersucht werden.
