Avaliação De Antenas Através De Fantomas
4.4.2 Simulação de antenas Patch utilizando fantomas
4.4.2.1
Descrição do modelo físico
Considerou-se como fonte de radiação uma antena tipo patch, posicionada na zona posterior da cabeça humana, comunicando por campo radiativo. Neste caso para a simulação dos tecidos humanos foram considerados dois modelos de cabeça, o modelo SAM e o modelo numérico construído, na secção anterior, a partir de imagens médicas (daqui em diante designado de modelo CT). Ambos os modelos para simulação envolvidos pelas camadas PML encontram-se na figura 4.25.
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Figura 4.25 – Modelo físico, truncado pelas camadas PML para a simulação da antena patch (A) com o modelo SAM e (B) com o modelo CT.
(i) Modelo da antena Patch: a antena tipo patch foi implementada sob um substrato de silicone, com uma espessura de 0,002 m. À antena foi fornecida uma tensão de entrada que permitisse levar um sinal até ao interior da cabeça, concretamente a uma distância de 0,025 m, sendo que para inicializar o problema foi fornecida uma tensão de entrada de 1 V. As dimensões e principais características da antena encontram-se descritas na tabela 4.3. Note-se que esta antena corresponde a uma das antenas já simulada anteriormente no espaço livre (no capítulo 3).
Tabela 4.3 – Características da antena patch utilizada para a simulação com os modelos da cabeça humana, SAM e CT. Antena patch Substrato 0,1x0,1x0,002 m Silicone (𝜀𝑟= 7,1) Patch 0,08x0,08 m Tensão de entrada 𝑉0= 1 V Impedância 𝑍𝑟𝑒𝑓 = 50 Ω
(ii) Modelo da cabeça humana: para a simulação da antena patch foi considerado o modelo SAM da cabeça humana, já descrito na simulação das antenas loop, realizada anteriormente. Além deste, foi ainda considerado como modelo o fantoma numérico construído, na subsecção 4.3.1.1, a partir de imagens médicas, pelo processo descrito apêndice A, como já se tinha dito. O modelo original, obtido
101 no 3DDoctor, teve de ser simplificado cerca de 98%, no software MeshLab, de modo a facilitar a construção da malha do modelo no programa de simulação e, também, para simplificar o processo e tempo de cálculo.
4.4.2.2
Descrição dos métodos de cálculo
O procedimento de cálculo aplicado para a propagação eletromagnética de ondas e a distribuição de temperatura na cabeça humana foi o mesmo da subsecção anterior para as antenas tipo loop. Do mesmo modo, para simplificar o problema, assumiram-se os mesmos pressupostos.
4.4.2.3
Resultados e discussão
Os resultados da interação da antena, considerada inicialmente, com o modelo da cabeça SAM e com o modelo CT, em termos de coeficiente 𝑆11 encontram-se no gráfico da figura 4.26. Relativamente à simulação realizada com o modelo CT a partir de determinada frequência ocorreram erros de convergência pelo que não foi possível analisar o comportamento da antena, nomeadamente, até à sua frequência de ressonância, como se pode averiguar na figura 4.26. Porém até à frequência analisada o modelo presentou um comportamento semelhante ao observado com o modelo SAM. O facto de não haver convergência está certamente relacionado com a circunstância de a função de interpolação adaptada para o modelo SAM. Pelo que daqui em diante, por uma questão de uniformidade, apenas serão apresentados os resultados obtidos com o modelo SAM.
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Figura 4.26 – Coeficiente de reflexão da porta de entrada para a antena patch simulada no espaço livre e na presença dos modelos SAM e CT.
Na figura anterior pode-se verificar, tal como se verificou para o caso das antenas loop, que a presença dos tecidos biológicos melhora ligeiramente o coeficiente 𝑆11, no entanto este ainda se encontra distante de um valor 𝑆11< − 10 dB.
A distribuição da SAR assume valores mais elevados na superfície da cabeça próxima da aposição da antena, como se pode observar na figura 4.27. Para a frequência de ressonância observa-se um incremento de temperatura de aproximadamente 0,005 °C, pelo que não há risco de ocorrência de efeitos adversos ou de mecanismos de termorregulação alterados.
(A) (B)
Figura 4.27 – Distribuição da SAR na frequência de ressonância da antena patch aquando da simulação com o modelo SAM.
Apesar da tensão de entrada não ter influência no coeficiente de reflexão, a intensidade do campo elétrico depende desta grandeza, como se pode ver na figura 4.28 (A) e (B) para uma tensão de entrada de 1 e 45,5 V, respetivamente, para a frequência de ressonância.
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(A) (B)
Figura 4.28 – Intensidade do campo elétrico da antena pacth em interação com o modelo SAM para diferentes tensões de entrada: (A) 1V e (B) 45.5V.
Assim, como com este sistema apenas se pretenderia fornecer dados, por razões já mencionadas, por exemplo, a um sensor implantado no córtex cerebral a tensão de entrada assume importância, uma vez que o seu valor pode ser regulado de modo a conseguir criar uma intensidade suficiente para chegar com o sinal ao sensor. No entanto, o incremento do seu valor provoca um aumento de temperatura, como se pode observar na figura 4.29, além de que o sistema está a funcionar a frequências elevadas, o que também contribui para o aumento da temperatura. O exemplo da figura 4.29 ilustra o incremento de temperatura nos tecidos biológicos causados por uma tensão de entrada de 1 e 45,5 V, à frequência de ressonância. Como se pode contatar para o valor mais elevado de tensão de entrada a temperatura assume valores inaceitáveis para aplicações WBAN.
(A) (B)
Figura 4.29 – Distribuição da temperatura no caso da antena pacth em interação com o modelo SAM para diferentes tensões de entrada: (A) 1V e (B) 45.5V.
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Embora a frequência de ressonância seja a 1350 MHz, ajustando a tensão de entrada este sistema poderia funcionar a uma frequência menor e incitar um menor aumento de temperatura, apesar de a uma menor frequência existir uma menor banda para transmissão de dados. Deste modo, reduziu-se para 402,5 MHz a frequência de operação do sistema e alterou-se a tensão de entrada de modo a se obter um campo elétrico de aproximadamente 20 V/m na zona do córtex cerebral. A frequência de 402,5 MHz encontra-se na banda MICS (banda permitida para a comunicação com dispositivos IMD).
Como o campo elétrico para uma tensão de entrada igual a 45,5 V não é suficiente, para chegar com um sinal elétrico a um dispositivo IMD implantado no córtex cerebral, a tensão de entrada da antena patch foi otimizada para 200 V de modo a produzir um campo elétrico no sistema interno de 20 V/m, como de pode verificar na figura 4.30.
(A) (B)
Figura 4. 30 – Distribuição do campo elétrico no modelo SAM ao longo do plano (A) perpendicular e (B) tangencial à antena patch.
Na figura 3.31 é ilustrada a distribuição da SAR e da temperatura para a antena pacth a funcionar segundo as indicações anteriores. Através das figuras é possível verificar que a SAR assume valores mais elevados na proximidade da antena emissora, sendo que se verifica um incremento da temperatura dos tecidos inferior àquele que se considera capaz de causar efeitos nocivos ao individuo. Pelo que esta poderia ser uma solução transmissão de dados a dispositivos IMD.
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(A) (B)
Figura 4.31 – Distribuição da (A) SAR, numa escala logarítmica e da (B) temperatura no modelo SAM, para uma antena patch operando a 402,5 MHz, à qual é fornecida uma tensão de entrada de 200 V.
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