Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Anteny radiowe dla miniaturowych medycznych urządzeń noszonych

ghost666 21 Lip 2018 14:16 1887 1
  • Niewielkie scalone anteny RF nie są już "strefami wzbronionymi" na płytce drukowanej. Dzięki temu projektanci urządzeń mogą jeszcze bardziej miniaturyzować systemy, takie jak biosensory i medyczne urządzenia noszone.

    Do niedawna niewielkie scalone anteny RF, jakie instalowano w sprzęcie medycznym z interfejsami bezprzewodowymi, nie mogły być otoczone wylewkami masy ani innymi ścieżkami. Spowodowane było to obawą przed interferencjami i zakłóceniami, które mogłyby wpłynąć negatywnie na działanie anteny lub zmienić jej charakterystykę emisji. W niektórych przypadkach te tak zwane "strefy wzbronione" ("keep out area") mogły mieć nawet 15 mm x 20 mm. To bardzo duży obszar płytki drukowanej.

    Obecnie jednakże na rynek wchodzi kolejna generacja scalonych anten RF. Pozwalają one na większą miniaturyzację, gdyż elementy te zezwalają na otaczanie ich ścieżkami etc. Mogą one być instalowane także nad wylewkami na PCB. Dzięki temu rozmiar sekcji radiowej zmniejszyć można o 10..20%, co pozwala projektantom zmniejszyć całe urządzenie.

    Ma to istotny wpływ na dalszą miniaturyzację bezprzewodowych urządzeń medycznych. W układach takich rozmiar jest bardzo istotny - w przypadku niektórych urządzeń medycznych ma znaczenie nawet wielkość zasilającej je baterii pastylkowej. Do takiej klasy urządzeń należą zegarki z biosensorami, ubrania, plastry czy bandaże zintegrowane z sensorami, czy połykane kapsułki z sensorami, które bezprzewodowo komunikują się, np. z lekarzem podczas badania.

    Przenośne biosensory medyczne i urządzenia noszone

    Dla przemysłu medycznego "przyszłość jest teraz", jeśli chodzi o miniaturowe, bateryjne układy sensorowe. Urządzenia takie mogą być ulokowane bardzo blisko ciała pacjenta lub nawet wszczepione w jego środek. Pozwalają one na monitorowanie parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie krwi oraz tętno pacjenta.

    Te niewielkie układy niebawem monitorować będą jednakże o wiele więcej czynników - od ogólników, takich jak nasza kondycja, warunki otoczenia, zachowanie czy styl życia, po tak szczegółowe parametry jak: jakość snu, ruch, oddychanie, postawa ciała, napięcie mięśniowe, poziom toksyn, leków czy glukozy w kwi, elektrokardiogramy etc.

    Informacje zbierane przez takie układy są następnie bezprzewodowo transmitowane do znajdujących się w pobliżu smartfonów, stacji monitorowania stanu pacjenta lub przez Wi-Fi i sieć Internet do serwerów, gdzie poddawane są dalszej analizie. Na podstawie tych danych lekarze mogą oceniać stan pacjenta i podejmować ważne decyzje.

    Zbieranie takich danych przyczynia się do rozwoju medycyny, lepszego rozpoznania różnych chorób czy głębszego zrozumienia złożonych systemów biologicznych. Przenośne systemy zbierania danych medycznych są także nieocenione podczas badań nad nowymi lekami i badań klinicznych.

    Pośród tych sensorów bardzo ciekawą klasą są specjalne plastry, które wyposażone są w sensory rytmu serca, oddechu, temperatury i np. poziomu glukozy we krwi, co pozwala na precyzyjne, bezprzewodowe sterowanie, np. pompą insulinową, z jakiej korzystają diabetycy.

    Anteny radiowe dla miniaturowych medycznych urządzeń noszonych
    Wbudowane scalone anteny RF

    Aby móc nadawać i odbierać sygnały sieci radiowych o odpowiedniej częstotliwości, układy takie muszą posiadać wbudowane scalone anteny, które montowane są obecnie na PCB, ale mogą być także np. integrowane z obudową urządzenia.

    Scalone anteny tego typu nadają i odbierają fale elektromagnetyczne tak jak inne anteny, ale odróżniają się od nich niewielkim rozmiarem. Takiego samego typu anteny montowane są także np. w smartfonach. Typowy telefon zawiera co najmniej cztery anteny, ale są pewne modele, w których znajdziemy ich nawet trzynaście. Medyczne urządzenia noszone zawierają zazwyczaj jedną lub dwie anteny.

    Do poprawnego działania nowoczesne scalone anteny RF potrzebują punktu odniesienia - masy. Realizuje się to poprzez umieszczenie ich w odpowiednim miejscu względem wylewki masy, by uformować obwód rezonansowy. Jakkolwiek wylewka masy na PCB może pełnić rolę punktu odniesienia, to często anteny tego typu muszą być montowane blisko krawędzi płytki drukowanej, aby uniknąć interferencji z innymi sygnałami w systemie. Zarówno pozostałe elementy, jak i ścieżki, muszą być od niej odsunięte, inaczej element ten może nie działać poprawnie.

    "Ten 'obszar wzbroniony' jest krytyczny do zapewnienia optymalnej emisji promieniowania magnetycznego przez antenę, gdyż wszystko, co się w nim znajdzie będzie miało wpływ charakterystykę emisji anteny. Wpływ ma także wielkość obudowy, lokalizacja anteny, bliskość ludzkiego ciała, etc." - mówi Manuel Carmon z firmy Johanson Technology, specjalizującej się w wysokiej jakości scalonych antenach, kondensatorach o wysokiej dobroci i scalonych filtrach EMI.

    Jak twierdzi Carmon, jego firma zdołała wyeliminować konieczność umieszczania konkretnej, zoptymalizowanej wylewki masy oraz "obszaru wzbronionego" dzięki optymalizacji materiałów samej anteny - ceramiki oraz tuszy, jakimi jest ona drukowana na jej powierzchni - procesu produkcji i samego projektu obwodu RF.

    Nowe anteny na 2,4 GHz Johanson Technology można montować bezpośrednio nad metalicznymi wylewkami. Elementy te mają wymiary zaledwie 2 mm x 5 mm i zaprojektowane są do pracy w bateryjnych urządzeniach Internetu Rzeczy, wykorzystujących interfejsy, takie jak 2.4BLE, ISM, ZigBee czy 802.11. Dzięki ich zastosowaniu metalowe elementy, takie jak obudowa, wyświetlacze etc. mogą znajdować się bezpośrednio obok anteny.

    "Powierzchnia PCB jest bardzo cenna, rozmiar i umiejscowienie scalonej anteny jest krytyczne, ponieważ wraz z minimalizacją samych urządzeń coraz trudniej jest zmieścić wszystkie elementy na płytce" - tłumaczy Carmona - "Dlatego też projektanci cały czas poszukują mniejszych rozwiązań, które pozwolą na redukcję wielkości PCB".

    Anteny radiowe dla miniaturowych medycznych urządzeń noszonych
    Projekt samej anteny jest także ważny z uwagi na jej zasięg i parametry. Jest to krytyczne w urządzeniach medycznych, gdzie błędy w transmisji mogą powodować zrywanie połączenia i gorsze działanie systemu.

    Na powyższe nakładają się także wymagania prawne. Jak wszystkie urządzenia wykorzystujące komunikację bezprzewodową, tak i urządzenia medyczne podlegają określonym regulacjom. W przypadku Stanów Zjednoczonych zajmuje się tym Federalna Komisja Komunikacji - FCC. Dlatego też ważne jest, by układy działały przy konkretnej, zgodnej z projektem długości fali. To z kolei zależne jest od strojenia anteny, na które wpływ ma jej umieszczenie czy położenie w urządzeniu.

    Pomimo swojego krytycznego znaczenia, jak mówi Carmon, scalone anteny RF są często w projekcie traktowane po macoszemu. Dopiero na końcu projektowania urządzenia umieszcza się anteny, co oznacza, że nie zawsze możliwe jest optymalne ich umieszczenie w ograniczonej przestrzeni pozostałej na płytce drukowanej.

    Johanson Technology oferuje specjalne oprogramowanie dedykowane do wspomagania inżynierów w procesie doboru anteny i projektowania systemu. Co więcej, zainteresowani projektanci mogą wysłać swoje miniaturowe urządzenia do Johanson Technology, a firma zajmie się dopasowaniem anteny do reszty układu i dostrojeniem jej do danej aplikacji.

    "Scalone anteny, które mogą być montowane bezpośrednio nad wylewkami masy, otwierają nowe pole do aplikacji łączności bezprzewodowej" - mówi Carmona.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/shorton2020/articles/miniaturized-wireless-medical-wearables

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9418 postów o ocenie 7081, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • PCBway