Uproszczone modele ciała człowieka do badania anten nasobnych

Posted on Posted in projekty, realizacje

W ostatnich latach można zaobserwować wyraźny wzrost zainteresowania systemami typu WBAN (ang. Wireless Body Area Network). Pozwalają one min. na długotrwałe monitorowanie parametrów życiowych i ocenę kondycji fizycznej człowieka w sposób, który w minimalnym stopniu ogranicza wygodę użytkownika. Projektowanie tego typu systemów wiąże się z koniecznością wykonania symulacji komputerowych oddziaływania fal radiowych z ciałem człowieka oraz przeprowadzenia pomiarów mających na celu ich weryfikację. W tym procesie wykorzystywane są modele ciała człowieka pozwalające ocenić jego wpływ na parametry anteny i łącza radiowego. Ze względu na duży koszt dostępnych modeli fizycznych oraz problem z dobraniem idealnego odpowiednika numerycznego dąży się do ich zastąpienia uproszczonymi strukturami odwzorowującymi uśrednione parametry elektryczne ciała. Opracowanie modeli uproszczonych wymaga przyjęcia pewnych założeń geometrycznych wynikających z obserwacji ciała człowieka czy też informacji zawartych w literaturze. Cenną wskazówką jest również przeprowadzenie symulacji z wykorzystaniem dostępnych numerycznych modeli heterogenicznych odwzorowujących poszczególne tkanki ciała człowieka. Proces projektowania modelu polega na wyborze uproszczonej geometrii odwzorowującej budowę wybranego fragmentu ciała, dzieląc je na warstwy w zależności od ich parametrów elektrycznych. W pracy przedstawiony został projekt dwuwarstwowych, uproszczonych modeli ciała człowieka do pomiaru impedancji wejściowej anten nasobnych. Przykładowy model uda człowieka został przedstawiony na rysunku 1. Do badań oraz weryfikacji zaproponowanych konstrukcji wybrano antenę dipolową dopasowaną do pracy na częstotliwości 2.45 GHz. Fizyczny odpowiednik zaproponowanego modelu numerycznego składa się z dwuwarstwowego cienkościennego naczynia do którego nalewane są płyny o parametrach elektrycznych zbliżonych do poszczególnych tkanek ciała człowieka. W pracy do tego celu wykorzystano wodę, glicerynę 99.6%, skażony alkohol etylowy oraz olej spożywczy roślinny. Weryfikację otrzymanych w symulacji wyników przeprowadzono z wykorzystaniem zaprojektowanego stanowiska do pomiaru impedancji wejściowej anteny umieszczonej w pobliżu modelu lub ciała człowieka(Rysunek 1). W tym celu wykonane zostało urządzenie pozwalające na zmianę położenia anteny względem modelu z dokładnością co najmniej 0.5mm. Do obsługi procesu pomiarowego napisana została aplikacja komputerowa w języku C#, odpowiadająca za sterowanie zarówno położeniem anteny jak i analizatorem obwodów ZVB14 firmy Rohde &Schwarz. Umożliwia ona zapis odstrojenia impedancyjnego anteny (WFS) na dysku komputera dla zdefiniowanego przedziału częstotliwości oraz odległości anteny od modelu. W celu porównania otrzymanych wyników napisany został skrypt w języku Matlab wykreślający zależność odstrojenia impedancyjnego anteny od jej odległości.

stanowisko

Rysunek 1: Projekt stanowiska do pomiaru odstrojenia impedancyjnego anten (wykorzystany sprzęt oraz jego schematyczne podłączenie)

Otrzymane w pracy wyniki pozwalają pozytywnie ocenić zaproponowane modele uproszczone ciała człowieka zarówno numeryczne jak I fizyczne. Ich właściwości umożliwiają znaczne skrócenie symulacji dając wyniki porównywalne z dokładnym modelem tkankowym. Zastosowane materiały pozwoliły znacznie zmniejszyć koszt związany z zakupem dedykowanych płynów, o parametrach elektrycznych zbliżonych do wartości uśrednionych dla tkanek ciała człowieka.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.