Patch-Antenne im Gehäuse

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Die Patch-Antenne beträgt 20 mm (quer zur Brust) x 32 mm (Kopf-Fuß-Richtung) mit einem Substrat aus verlustfreiem Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl von 9,5. Der Patch ist 2 mm dick, wobei Grundplatte und Patchstrahler die gleichen Abmessungen haben. Der Patch-Zuführung ist von der Mitte des Patches in der vertikalen (langen) Abmessung versetzt. 

Erste Berechnungen beziehen sich auf die Patch-Antenne im freien Raum. In Erwartung der Verwendung eines 2 mm menschlichen Körpergeflechts wird das Pflaster zunächst mit 2 mm FDTD-Zellen vernetzt. Ein 3D-Rendering des Netzes zeigt die versetzte Zuführposition in Abbildung 1. Alle Berechnungen erfolgen bei 2,45 GHz. 

Erste Berechnungen für die Patch-Antenne im freien Raum ergaben eine Eingangsimpedanz von 0,025 + j 11,8 Ohm mit 100% Wirkungsgrad. Das Strahlungsgewinnungsmuster in Bezug auf eine isotrope Antenne für die horizontale Ebene ist in Figur 2 dargestellt. Die blaue Linie ist für E Theta (vertikale) Polarisation und die rote Linie für E phi (horizontale) Polarisation.

Die transienten elektrischen Felder in der Nähe der Zone in der Ebene der Patch-Antenne sind in Abbildung 3 dargestellt. Das stationäre elektrische Feld in der Nähe der Zone wird in Figur 4 dargestellt.

 

Abbildung 1: Maschendarstellung der Patch-Antenne mit versetzter Einspeisung.

 

Abbildung 2: Verstärkung der Fernzone des Patches im freien Raum.

 

Abbildung 3: Elektrische Felder im Zeitbereich.

 

Abbildung 4: Elektrische Felder im stationären Zustand des Frequenzbereichs.

Anschließend wird ein mit VariPose erhaltenes 2 mm starkes menschliches Körpergewebe als Netzobjekt in XFDTD importiert und die Patch-Antenne in das Körpergewebe eingesetzt. Abbildung 5 zeigt eine Scheibe durch das Körpernetz mit der Patch-Antenne. Das Pflaster befindet sich einige Millimeter innerhalb der Brust, nahe der Vorderseite des Körpers. In dieser Abbildung schaut der Körper auf den Leser, d.h. außerhalb der Seite.

Nach Abschluss der Berechnung ermittelt XFdtd die Impedanz der Patch-Antenne im menschlichen Körper auf 5,42 + j 19,1 Ohm mit einem Wirkungsgrad von 0,21%. Das Fernzonenstrahlungsmuster für die Patch-Antenne im Körper zeigt die Verringerung der Verstärkung durch den Verlust im Körpergewebe. Der Körper ist in Richtung eines Winkels von 0 Grad ausgerichtet, wobei die (linke) Schulter das Pflaster in Richtung eines Winkels von 90 Grad enthält, wie in Figur 6 dargestellt. 

Abbildung 7 zeigt eine 3D-Ansicht von transienten elektrischen Feldern außerhalb des Körpernetzes.

Abbildung 5: Netz der Patch-Antenne im Gehäuse.

 

Abbildung 6: Fernzonengewinn des Pflasters im Körper.

 

Abbildung 7: Eine Scheibe von Zeitbereichsfeldern durch die Brust.

Abbildung 8, Abbildung 9 und Abbildung 10 zeigen transiente elektrische Felder in verschiedenen Netzschichten für die Patch-Antenne im Inneren des Körpers. Die CAD-Anzeige des Körpergewebes und der Patch-Antenne ist ausgeschaltet, um die internen Felder zu betrachten.

 

Abbildung 8: Eine Scheibe von Zeitbereichsfeldern durch den Körper.

 

Abbildung 9: Eine Scheibe von Zeitbereichsfeldern durch die Brust (Body Rendering ist eingeschaltet).

 

Abbildung 10: Eine Scheibe von Zeitbereichsfeldern durch die Brust (Body Rendering ist aus).

Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen stationäre elektrische Felder in der Ebene der Patch-Antenne. Auch hier wird in einer Abbildung die CAD-Anzeige ausgeschaltet. 

Die endgültige Berechnung ist für die spezifische Absorptionsrate oder SAR. Um die Berechnungszeit zu verkürzen, wird für die SAR-Berechnungen nur der Brustabschnitt des Netzes verwendet. Eine Ansicht der Brust nur bei Nahzonen-Transientenfeldern ist in Abbildung 13 dargestellt.

 

Abbildung 11: Eine Folie von Frequenzbereichsfeldern durch die Brust (Body Rendering ist eingeschaltet).

 

Abbildung 12: Eine Scheibe von Frequenzbereichsfeldern durch die Brust.

 

Abbildung 13: Automatischer Bereich von 1 Gramm SAR, der sich um die Antenne herum mittelt.

 

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, um bei den gewünschten Übertragungsfrequenzen zu resonieren, die Strahlung zu verbessern und SAR zu reduzieren. Die Auswirkungen auf SAR und Strahlung, die sich aus dem Verschieben der Patch-Antenne an verschiedene Stellen im Körper ergeben, könnten ebenfalls mit XFDTD untersucht werden.