Antenas e Propagação de sinal em WBAN
3.3.1 Transferência de energia
Os dispositivos das redes WBAN necessitam naturalmente de energia para funcionarem e esse fornecimento de energia é um dos pontos principais de investigação. Uma das formas de fornecer energia às redes sem fio é através de pequenas baterias, porém têm tempo de vida limitado. Isto constitui uma desvantagem, principalmente para implantes, uma vez que a substituição de baterias exige a realização de novas cirurgias (Adeeb, et al., 2012).
47 Para colmatar esta inconveniência diversos estudos têm sugerido meios de energia alternativos, nomeadamente, pela recolha de energia a partir de fontes humanas (ex. movimento) e ambientais (ex. temperatura). Nos seus trabalhos Islam (2011) e Hannan (2014) apresentaram uma análise de vários métodos especialmente desenvolvidos para o fornecimento de energia a dispositivos WBAN, nomeadamente a dispositivos médicos implantáveis.
De entre os métodos, deve evidenciar-se a transferência de energia sem fio (WPT – Wireless
Power Transfer), que consiste na transmissão, de energia elétrica, de uma fonte para uma
carga elétrica, sem usar ligações galvânicas. A WPT, se bem concebida é inofensiva e controlável; não depende do movimento do paciente e possui um longo tempo de vida útil quando comparada com a bateria clássica (Islam, 2011); permite alimentar ou recarregar dispositivos de forma segura e eficaz, melhorando a produtividade, fiabilidade e a segurança dos profissionais de saúde e dos pacientes (Hartford, 2013).
A transferência, a WPT, pode ser implementada usando dois tipos de esquemas: (i) não radiativo (indutivo ou capacitivo) ou de campo próximo e (ii) radiativo ou de campo distante, Cada um destes tipos pode subdivide-se de acordo com o seu princípio de funcionamento físico. Na tabela 3.1 encontram-se ilustrados os vários tipos de WPT e as suas principais características (Sun, et al., 2013).
Tabela 3.1 – Tipos de transferência de energia sem fio e as suas principais características. Frequência Direcionalidade Alcance Penetrabilidade
Transferência de campo próximo Acoplamento Indutivo Baixa Hz - MHz
Fraca Pequeno Elevada
Acoplamento Capacitivo
Baixa Hz - MHz
Fraca Pequeno Elevada
Transferência de campo distante Propagação Eletromagnética Média MHz - GHz
Média Médio Média
Micro-ondas
Elevada
GHz – THz Elevada Elevado Fraca Fotoeletricidade Elevada Elevada Elevada Fraca
A transferência na zona de campo próximo é caracterizada por uma melhor penetração das variações do campo nos tecidos biológicos, pelo que é a principal candidata para WPT, apesar
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do seu alcance para comunicação ser relativamente curto. Comparativamente ao campo elétrico, o campo magnético provoca menos efeitos adversos no corpo humano, o que torna o acoplamento indutivo a melhor opção para aplicações biomédicas (Sun, et al., 2013). A implementação de antenas para WPT, deve ter em consideração os cinco aspetos representados no diagrama da figura 3.7. Como discutido anteriormente, os dispositivos IMD têm exigências rigorosas quanto ao seu tamanho e peso, principalmente se desejamos que a geometria da antena seja implantável. Existem vários parâmetros geométricos que podem ser otimizados para a construção da antena, no entanto há um compromisso entre o tamanho da antena, a frequência de operação e o fator de qualidade (𝑄), ou seja, a eficiência do sistema. O meio utilizado para estabelecer a comunicação e a distância entre a antena emissora e recetora, também são fatores que influenciam a eficiência, pois há uma perda da potência transferida com o aumento da distância entre as antenas emissora e recetora, porque apenas uma fração do fluxo magnético gerado na antena emissora chega à recetora. Diminuindo esta distância aumenta a fração de energia transferida para a antena recetora, e portanto há um maior fator de acoplamento. Ou seja, assim, para otimizar o desempenho significa estabelecer um equilíbrio entre todos os fatores (Sun, et al., 2013).
Figura 3.7 – Aspetos a ter em consideração aquando da implementação de antenas para WPT (adaptada de Sun, et al. (2013)).
Fator de qualidade Fator de acoplamento Frequência de operação Nível de potência Tamanho e peso da antena
Antenas para
WPT
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3.3.2 Transferência de dados
Outra utilidade fundamental das antenas é a transmissão de dados (Islam, 2011). Na comunicação de dados, a largura de banda é um dos parâmetros fundamentais, nomeadamente, para um grupo de IMD designado de neuropróteses. As próteses cocleares e visuais são exemplo de dispositivos que necessitam de recolher uma grande quantidade de informação dos sensores externos para o dispositivo implantado; à semelhança destas, também as interfaces homem-computador invasivas, colhem uma enorme quantidade de dados do sistema nervoso e transferem-nos para um dispositivo externo, que permite controlar o ambiente ou próteses, após o processamento de sinal (Kiani, 2014).
Os sistemas de banda ultra larga (UWB) permitem transmitir altas taxas de dados, com pequenas antenas, mas como operam a altas frequências possuem elevadas perdas de propagação no interior do corpo e há um atraso na propagação do sinal (Ibraheem, 2014). Em dispositivos IMD, as grandes larguras de banda devem ser implementadas com a menor frequência portadora possível, devido à absorção eletromagnética dos tecidos, que aumenta exponencialmente com a frequência. Este requisito exclui a maioria dos protocolos sem fios de banda larga disponíveis comercialmente, tais como Bluetooth e Wi-Fi, que funcionam a 2,4 GHz (Kiani, 2014).
O acoplamento indutivo surge como a principal ligação EM para IMD, pois opera na gama das baixas frequências, no entanto a largura de banda limitada implica uma baixa taxa de transferência de dados (Hall, et al., 2012).
Devido aos inconvenientes já citados, nomeadamente à baixa taxa de transferência de dados, atualmente têm surgido pesquisas que visam o melhoramento da comunicação com IMD através do acoplamento radiativo ou de campo distante. Este tipo de ligação de RF permite alcançar uma maior distância e uma maior taxa de dados, porém opera com frequências mais elevadas. As antenas tipo patch têm ganho especial interesse para a comunicação de campo distante pois o seu projeto é altamente flexível, favorece a fácil miniaturização e integração na forma do IMD (Kiourti, et al., 2012). Porém, este sistema não é adequado para a transmissão energia, pois exibe baixa eficiência, desperdiçando uma quantidade significativa de energia, além de existir o problema de segurança, pois a energia dissipada manifesta-se pelo aumento de temperatura dos tecidos do corpo (Jonah, 2013).
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