Análise do desempenho de antena têxtil em superfícies curvas para aplicação em WBAN

Análise do desempenho de antena têxtil em superfícies curvas para aplicação em WBAN

Éberte Valter da Silva Freitas Centro de Engenharias

Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, Brasil

ebertefreitas@ufrn.edu.br

Samanta Mesquita de Holanda Centro de Engenharias

Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, Brasil

samanta.holanda@ufersa.edu.br

Resumo— A incorporação da telemedicina na prática assistencial de diversos países tem resultado em avanços expressivos no acesso à serviços médicos. Em busca de prognóstico, diagnóstico e possibilidades terapêuticas mais assertivas através do uso da tecnologia Wireless Body Area Network (WBAN), e considerando que esta lida com delicados registros de sinais médicos, seus dados precisam ser transmitidos e captados com qualidade e precisão. Este estudo determinou os parâmetros de operação de uma antena de microfita com substrato têxtil em superfícies curvas para aplicações biomédicas em WBAN. Trata-se de uma pesquisa exploratória na modalidade de desenvolvimento tecnológico, de abordagem quantitativa, dividida em três etapas: definição e caracterização física e elétrica do material têxtil; modelagem matemática da antena; e simulação. Na primeira, foi feita uma revisão da literatura acerca das normas e padrões de tecidos para uso hospitalar e das características físicas, químicas e elétricas dos mesmos; a seguir, foram empregados o método da Cavidade e da Linha de Transmissão para dimensionamento de uma antena de microfita com substrato têxtil; e, por fim a simulação da antena em quatro condições de angulação: plana, e com curvaturas de 40, 60 e 90 graus. Os resultados mostram a alteração não linear dos parâmetros da antena conforme o aumento de sua curvatura. Apesar de viável, o projeto de antenas para aplicações e-health através da WBAN requer desenvolvimento centrado na aplicação.

Palavras Chaves: WBAN. Antena Textil. E-health.

I. INTRODUÇÃO

A população brasileira com mais de 60 anos aumentou em quase 20% em apenas cinco anos, atingindo 30,2 milhões em 2017, e mantendo a tendência de envelhecimento observada no mundo todo [1]. O envelhecimento da população levanta preocupação sobre a capacidade dos programas de assistência à saúde suprirem a crescente demanda por cuidados de longa duração, atenuados inclusive pelas limitações funcionais dos grupos etários mais velhos [2].

O uso e integração de Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) para apoiar e aperfeiçoar o diagnóstico, garantir velocidade, eficiência e inovação na prestação de cuidados de saúde, é um dos principais desafios atuais da Atenção Primária em Saúde (APS) no Brasil e é fundamental no desempenho e melhorias de novas práticas e consequente alcance de um sistema de saúde mais efetivo e rentável [3, 4].

Os sucessos recentes em miniaturização de circuitos, através dos circuitos integrados e comunicações sem fio,

proporcionaram ganhos significativos em tamanho, leveza, consumo ultrabaixo de energia, e avanço dos dispositivos de monitoramento inteligentes [5]. A tecnologia Wireless Body Area Network (WBAN), consiste em diferentes sensores fisiológicos pequenos implantados diretamente ou em contato com o organismo, com uma gama de recursos para telemedicina, e deve se tornar uma ferramenta chave no monitoramento e reabilitação remotamente supervisionados [6, 7]. Através de um link sem fio, essa tecnologia tem potencial para vigilância da saúde de forma contínua, proporcionando benefícios para os pacientes, profissionais da saúde e sociedade, e caracterizando-se como uma alternativa eficiente e mais acessível, sobretudo em casos de doenças crônicas, nos quais o tempo de tratamento costuma ser longo e oneroso [5]. Latré e colaboradores [6] desenvolveram um sistema WBAN para reabilitação capaz de fornecer feedbacks e orientações ao usuário em tempo real, além das informações poderem ser integradas à base de dados médicas para constituição e acompanhamento do quadro do paciente.

A confiabilidade da transmissão e recepção de dados requer atenção especial quando no âmbito de risco de aplicações para a saúde. Além da segurança da informação e velocidade da transmissão, a confiabilidade dos dados afeta diretamente a qualidade da intervenção, podendo ser fatal [6].

Conforme a finalidade, os dispositivos de monitoramento podem ser dispostos em todo o corpo, não havendo consenso a respeito da localização ideal de um sensor no corpo humano, e ainda, considerando que este pode estar em movimento, que induz um canal de desvanecimento e sombreamento da transmissão, é necessário o estudo da transformação do comportamento das antenas empregadas em WBAN. Jovanov [5] afirma que antes da aceitação completa da WBAN, devem ser resolvidos problemas de projetos de sistemas, segurança e privacidade, e personalização e integração entre os sensores.

Para Yoo [8], qualquer mudança na geometria de antenas promove alterações de seus atributos e, portanto, seu projeto deve ser direcionado ao atendimento de alterações inevitáveis.

Por fim, Osman et al [9] afirma que a geometria de antenas aplicadas ao corpo humano, deve adequar-se ao formato da região onde a antena será aplicada, que normalmente apresenta formato cilíndrico.

Este estudo tem como objetivo determinar os parâmetros de operação de uma antena de microfita com substrato de algodão e poliéster, em superfícies curvas para aplicações biomédicas em WBAN.

II. TECNOLOGIA WBAN

O Termo E-health refere-se aos conjuntos de práticas e atuações promotoras ou preventivas de saúde aparadas por TIC [10]. Dentre as formas de e-health destaca-se sua modalidade móvel, m-health, que também consiste em uma ferramenta de cuidados médicos e de saúde, porém conta com o auxílio de dispositivos móveis vestíveis para sua execução e utilização, isto é, smartphones, aparelhos de monitoramento pessoal e tablets [11, 12]. A fim de explorar os benefícios dessas tecnologias sem fio para a telemedicina, emerge a rede sem fio de área do corpo, ou simplesmente WBAN [7].

Nos sistemas tradicionais de monitoramento de pacientes, sobretudo nos casos de pacientes acamados, os sistemas de múltiplos sensores apresentam fios entre eletrodos que além de serem de difícil manejo podem limitar a mobilidade do indivíduo, resultando em perda de conforto, redução do tempo de reestabelecimento de funções motoras e, assim, influenciar de forma negativa o tempo de recuperação. Em contrapartida, a WBAN baseia-se em redes de sensores sem fio e pode fornecer monitoramento e possibilidades de intervenção remotas, através de sensores implantados ou sobpostos ao corpo [5, 7].

Devidos as vantagens frente aos dispositivos e condições tradicionais de monitoramento e intervenção terapêuticas, sistemas de vigilância da saúde sem fio integrados em sistemas de telemedicina são novas tecnologias da informação capazes de suportar a detecção precoce de condições anormais, construir quadro evolutivos de enfermidades com maior riqueza de detalhes, e prevenção das suas consequências graves. Para Shen [7], nesse momento a WBAN tem grandes perspectivas de potencial transformador no cuidado de idosos e deficientes, além de aplicação militares, esportes e entretenimento. Há estudos referentes a seus ganhos no tratamento de doenças renais, recuperação pós operatória, e prevenção da síndrome da morte súbita infantil [6]. A Figura 2 apresenta a estrutura da WBAN.

FIG 1 – ESTRUTURA E APLICAÇÃO DA WBAN [13].

Os dispositivos envolvidos nas aplicações WBAN são:

sensores, atuadores e dispositivos pessoais. Os sensores são usados para medir determinados parâmetros do corpo humano e são posicionados visando a melhor captação do estimulo monitorado, por essa razão, podem estar externos ao corpo, como em vestimentas em contato direto, ou mesmo implantados. Conforme estas especificidades, seus componentes de hardware são definidos, mas em geral, sensores implantados requerem maior atenção para a unidade de controle de energia, visando o aumento da vida útil e redução de manutenções. Além desses, é necessário um transmissor ou transreceptor, unidade de memória e microprocessador. Os atuadores agem conforme os dados transmitidos pelos sensores, fornecendo uma resposta ao

estimulo captado. Por fim, os dispositivos pessoais armazenam os dados adquiridos pelos sensores e atuadores, e informam ao utilizador, seja ele o paciente ou profissional de saúde, através de monitores, os índices captados pelos sensores e as possibilidades de intervenções dos atuadores.

Um exemplo desse processo é a dosagem de insulina em pacientes diabéticos. Doses precisas de insulina podem ser entregues pelos atuadores conforme os sensores detectam a queda de açúcar no sangue [6, 7].

III. ANTENA DE MICROFITA

Apesentada por Deschamps em 1953, as antenas de microfita apresentam layout simples e, mesmo com tamanho reduzido, são capazes de transmitir dados no modo de banda larga [14]. Conforme a Figura 2, que ilustra através da geometria retangular as partes construtivas das antenas de microfita, o patch, o plano de terra, e o substrato são os elementos cujas propriedades materiais e dimensões causam alterações nos parâmetros operacionais da antena (perda de retorno, largura de banda, ganho, etc.).

FIG.2–ANTENA DE MICROFITA COM GEOMETRICA RETANGULAR. A aplicação de material flexível na constituição, seja do ressoador, plano de terra ou substrato, produz efeitos relevantes em comparação ao projeto de antenas rígidas convencionais. A antena de microfita flexível pode possibilitar maior facilidade de adaptação a sistemas embarcados em diversos tipos de aplicações, sobretudo nas que necessitem de flexibilidade, elasticidade e compressibilidade, como aplicações em fardamentos [15].

A. Parâmetros e Propriedades

O comportamento de antenas pode ser descrito através de parâmetros. A correlação entre alguns deles faz com que nem todos precisem ser especificados para uma completa caracterização de seu comportamento. Dentre os atributos mensuráveis, destacam-se:

• Diagrama de irradiação: Representa as características de propagação das ondas eletromagnéticas de uma antena em função de suas coordenadas espaciais, descrevendo os comportamentos dos campos, elétrico e magnético, que se desprendem das superfícies condutoras das antenas. A análise do diagrama permite obter parâmetros importantes como o lobo principal, que mostra a direção da máxima radiação da antena e, os lobos secundários, que, geralmente, mostram a radiação existente em direções indesejadas [14].

• Perda de retorno: Durante transmissão de sinais elétricos através de linhas de transmissão acontecem reflexões entre a fonte e a carga, estas reflexões correspondem a provocam desvanecimento no sinal captado e são chamadas

de perdas de retorno. Em termos gerais, as perdas de retorno indicam a relação entre a potência de sinal fornecida e a refletida, representando a capacidade da antena irradiar na possibilidade de ressonância, sendo considerada como aceitáveis valores menores que -10 db [16, 17]

• Densidade de corrente: Corresponde a corrente que atravessa uma área unitária e normal a um determinado ponto, causando deformações na radiação, influenciando na redução da diretividade, eficiência e ganho da antena [15].

• Specific Absorption Rate (SAR): A taxa de absorção específica é um parâmetro que avalia a absorção de energia eletromagnética que penetrar os tecidos humanos. Os valores da SAR são afetados conforme a distância entre a antena e o corpo, a potência de irradiação, a geometria e o padrão de radiação da antena, e a frequência de exposição. O limite para a SAR especificado pelo padrão IEEE C96.1:2005, é de 2W/kg em uma massa média de 10g [18, 19].

IV. METODOLOGIA

O presente trabalho trata-se de uma pesquisa exploratória na modalidade de desenvolvimento tecnológico, de abordagem quantitativa desenvolvida no laboratório de micro- ondas e telecomunicações do Centro Integrado de Inovação Tecnologia da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (CITED/Ufersa).

As etapas estabelecidas como percurso metodológico foram:

▪ Etapa I: Definição e caracterização física e elétrica do material têxtil;

▪ Etapa II: Modelagem matemática da antena;

▪ Etapa III: Simulação.

Cada etapa com suas particularidades e procedimentos será detalhada nos tópicos seguintes.

A. Definição e Caracterização Física e Elétrica do Material Têxtil

Para subsidiar o projeto de uma antena flexível composta por estruturas têxteis e voltada para aplicações biomédicas, é necessário um prévio estudo teórico dos requisitos regidos por norma para roupas hospitalares, bem como das suas características têxteis e elétricas, dessa forma, foram realizadas duas revisões da literatura. A primeira, buscou normas regulamentadoras que versão sobre as especificações mínimas de conforto, higiene e resistência dos tecidos para uso hospitalar. A segunda visou o levantamento das características têxteis e do comportamento elétrico dos matérias constituintes do tecido selecionado.

B. Modelagem Matemática da Antena

Conforme a caracterização elétrica e têxtil do material utilizado no substrato realizado na Etapa I, foram empregados os métodos aproximados da Cavidade e da Linha de Transmissão para a determinação das dimensões da antena. Os cálculos foram realizados com o auxílio do software MatLab^®.

Inicialmente, considerando os valores da constante dielétrica (𝜀′_𝑟) e do fator de perdas (𝜀′′_𝑟) encontrados na etapa de caracterização elétrica do substrato, foi determinada a permissividade relativa do substrato através da Equação 1.

𝜀 = (𝜀′𝑟± 𝑗𝜀′′𝑟) × 𝜀0 (1) Sendo 𝜀 é a permissividade relativa do substrato e 𝜀0 é a permissividade do vácuo cujo valor 8,85418782×10^-12 F/m.

Para a atender o padrão IEEE 802.15.6 Wireless Body Area Networks, a frequência de ressonância (𝑓_𝑟) escolhida foi de 2,45 GHz com largura de banda de 83,5 MHz (de acordo com a banda ISM), assim, foi empregada a Equação 2 para o cálculo da largura do patch (𝑊).

𝑊 = ¹

2𝑓_𝑟√𝜀₀𝜇₀√_𝜀²

𝑟+ 1 (2) Em que 𝜀₀ e 𝜇₀ são a permissividade no espaço livre e permeabilidade no espaço livre.

Conhecendo-se a largura do patch e a altura do substrato, foi encontrada a permissividade relativa efetiva do meio (𝜀𝑒𝑓), determinada pela Equação 3.

𝜀_𝑒𝑓=^𝜀𝑟+1

2 +^𝜀𝑟−1

2 [1 + 12^ℎ

𝑊]^−0,5 (3) Onde ℎ é a altura do substrato têxtil.

Em seguida, considerando 𝜀_𝑒𝑓 e os efeitos de borda do patch, encontrou-se a extensão ∆𝐿 através da Equação 4.

∆𝐿 = 0,412ℎ ^{(𝜀𝑟+0,300)(}

𝑊 ℎ+0,264) (𝜀_𝑒𝑓+0,258)(^𝑊

ℎ+0,800) (4) Conhecendo-se o 𝜀𝑒𝑓 e ∆𝐿, foi determinado o comprimento do patch (𝐿) por meio da Equação 5.

𝐿 = ¹

2𝑓_𝑟√𝜀𝑒𝑓√𝜀0𝜇₀− 2∆𝐿 (5) Finalizadas as dimensões do patch, para o dimensionamento da largura e comprimento da linha de transmissão foi considerado 50Ω como impedância de entrada (𝑍₀), mediante a impedância do conector, e aplicadas as Equações 6 e 7.

𝑍₀= ^120𝜋

√𝜀𝑟(^𝑊𝑚

ℎ +1,393+0,677𝑙𝑛⁡(^𝑊𝑚

ℎ +1,44)) (6) 𝐿_𝑚= ^𝑐

4𝑓_𝑟√𝜀𝑒𝑓 (7) Sendo 𝑊_𝑚 e 𝐿_𝑚 correspondem a largura e comprimento, respectivamente, da linha de transmissão.

O projeto inicial necessitou de ajuste fino, o qual foi feito através do cálculo do fator de compressão (CF), dado na Equação 8, através da qual as dimensões 𝑊 e 𝐿 do patch foram redimensionadas em busca da maior proximidade a frequência 2,45 GHz. 𝐹𝑟 corresponde a frequência de ressonância antes do ajuste [20].

𝐶𝐹 = (^𝐹𝑟

2.45) × 100% (8) As antenas curvas foram feitas inicialmente em duas dimensões no software AutoCAD^® aplicando a Equação 9 para determinação de seu raio de curvatura.

𝛼 =^ℓ×180

𝑅×𝜋 (9) Em que 𝛼 de curvatura, ℓ e 𝑅 são o comprimento e o raio do arco, respectivamente.

C. Simulação

A antena de microfita flexível proposta, foi simulada através do software High Frequency Structure Simulator^® (HFSS) em quadro condições:

• Com sua superfície completamente plana, simulando a circunstância ideal de sua geometria;

• Com superfície curva em 40°;

• Com superfície curva em 60°;

• Com superfície curva em 90°.

As três condições de curvatura estudadas são representadas na Figura 3 e visaram a observação do comportamento da antena quando na aplicação junto ao braço de peças de roupas hospitalares, seja devido a variação da circunferência do braço dos usuários ou da deformação inerente e inevitável da movimentação dos pacientes.

IGURA 3–DIFERENTES SITUAÇÕES DE CURVATURA SIMULADAS

V. RESULTADOS A. Fibras Têxteis Utilizadas

A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) estabelece, mediante a norma NBR 13734:2016 de primeiro de dezembro de 2016, os requisitos para fabricação dos tecidos para uso hospitalar, bem como padroniza as dimensões dos artigos obtidos a partir deles [21]. Apesar de não apresentar caráter obrigatório, o artigo em questão busca o estabelecimento de um padrão considerando para tanto, conforto, durabilidade, higienização e composições usuais no mercado atual. A Tabela 1 mostra as características padronizadas para uso hospitalar de quatro tecidos que atendem estas exigências, segundo a norma.

TABELA I.PADRONIZAÇÃO DOS TECIDOS PARA USO HOSPITALAR [21]

Guerra [15] e Holanda [22] realizaram ensaios físicos e químicos conforme as normas da American Society for Testing and Materials (ASTM) para a determinação da titulação, gramatura, resistência à tração, estabilidade dimensional e caracterização elétrica de doze malhas para aplicação em antenas flexíveis. Dentre as malhas está a de Algodão (CO) e Poliéster (PES) e foi a escolhida para o desenvolvimento dos estudos desse trabalho por ser uma das composições que se adequam aos requisitos da NBR 13734:2016 e figurar entre o conjunto dos principais tipos utilizados comercialmente [14].

A Tabela II apresenta as características têxteis do tecido.

TABELA II.ESTABILIDADE DIMENSIONAL, RESISTÊNCIA À TRAÇÃO,

TITULAÇÃO E GRAMATURA [15]

Coluna Curso Área Pré-lavagem (cm) 10 10 100 Pós-lavagem (cm) 8,9 9 80,1 Variação (%) 11 10 19,9 Força (N) 178,45 185,58 - Alongamento (%) 190 124,8 - Tecido Composição Gramatura

g/m²

Alteração dimensional máxima

%

Solidez mínima à lavagem – Quando

não branco

Resistência mínima à tração N/cm Urdame Trama Urdame Trama Urdame Trama

T1 100% Algodão 120 ± 5,0 ± 3,0 4 - 5 4 - 5 8,0 5,0

T2 100% Algodão 190 ± 5,0 ± 3,0 4 - 5 4 - 5 8,0 5,0

T3 50% Algodão

50% Poliéster 110 ± 5,0 ± 3,0 4 - 5 4 - 5 8,0 6,5

T4 50% Algodão

50% Poliéster 170 ± 5,0 ± 3,0 4 - 5 4 - 5 8,0 6,5

Ne 12,5

Tex 47,2

Gramatura (g/m²) 243,6667

A caracterização elétrica do material têxtil, Tabela 3, determinou a constante dielétrica, e o fator de perdas e tangente de perdas, os quais são resultantes das propriedades físicas e químicas dos ensaios anteriores e foram empregadas nos métodos da cavidade e da linha de transmissão para o dimensionamento da antena.

TABELA III.CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA [15]

Estrutura ε' ε'' tan δ Jersey 1,754 0,206 0,118 B. Parâmetros e Dimensionamento da Antena

Conforme as propriedades da malha escolhida para o substrato da antena de microfita flexível em estudo, e através da aplicação das Equações (1) a (9), foi realizado o seu dimensionamento. A Tabela 3 apresenta as características do projeto, estando em concordância com os dados apresentados por Guerra [15].

TABELA IV.CARACTERÍSTICAS DA ANTENA COM SUBSTRATO COMPOSTO POR CO E PES

Característica do Projeto Valores

𝑓_𝑟(GHz) 2,45

𝜀_𝑟 1.7663

Tanδdielétrico 0,1177 σcondutor(S.m^-1) 5,8×10⁷ 𝑊 (mm) 52,02

𝐿 (mm) 44,51

𝑊_𝑚 (mm) 7,89

𝐿_𝑚 (mm) 23,49

ℎ (mm) 2,22

𝑊_𝑎 (mm) 104,04

𝐿𝑎 (mm) 93,09

𝐶𝐹 (%) 97,02

As dimensões do plano de terra e do substrato (𝑊𝑎 e 𝐿𝑎) são iguais e foram determinadas proporcionalmente aos valores do patch. A Figura 4 apresenta em detalhes as dimensões da antena.

FIGURA 4–DIMENSÕES DA ANTENA TÊXTIL CO E PES APÓS FATOR DE COMPRESSÃO NO PATCH

As três condições de curvatura foram desenvolvidas mantendo-se as mesmas propriedades dos materiais e valores dimensionais. Para a análise da taxa de absorção local da radiação, visando o suporte para estudos futuros do uso de sensores para sinalização de risco de disfunção cardiovascular, foi escolhido o braço esquerdo devido ao número recorrente de tecnologias esportivas em uso cujo acoplamento se dá nessa região. A Figura 5 apresenta o local escolhido para posicionamento das antenas.

FIGURA 5–DISPOSIÇÃO DA ANTENA CURVA EM 90° SOBRE O BRAÇO ESQUERDO.

O posicionamento da antena em relação ao braço foi padronizado em todas as simulações, estando centralizadas e a mesma distância do braço. Os parâmetros e propriedades de todas as quatro condições de curvatura da antena foram determinados sem que houvesse contato com o braço, estando a influência da permeabilidade dos tecidos do mesmo restrita aos ensaios para a determinação do SAR.

C. Diagrama de Radiação

Para avaliar a diretividade e ganho das antenas têxteis simuladas, foram plotados os diagramas de radiação 2D e 3D, estando os resultados dispostos na Figura 6.

(a)

(b)

(c)

(d)

FIGURA 6–RESULTADOS FUNDAMENTAIS DA SIMULAÇÃO DA ANTENA PLANA (A), CURVA EM 40°(B),60°(C) E 90°(D) QUANTO AO PADRÃO DE RADIAÇÃO 3D

E 2D.

De acordo com a Figura 6, todas as antenas apresentam comportamento diretivo com radiação semelhante a antenas de microfita convencionais com características broadside, não havendo variações significativas entre as condições de curvatura simuladas. Todavia, os lóbulos secundários das antenas curvas apresentam distorções consideráveis em relação a sua condição plana, o que está associada à sua distribuição espacial uma vez que se trata de uma mesma antena e, portanto, a tangente de perdas do material é a mesma em todos os casos.

O padrão de radiação da antena curva em 90° o mais distinto e apresenta redução da diretividade e baixo ganho, isso pode ser decorrente do aumento da sua curvatura em relação as demais.

A antena curva em 40° obteve o maior ganho máximo, igual a 1,69 dB, seguida da plana com 1,23 dB, curva em 60°

com 1,33 dB e, por fim, pela de menor ganho, a de 90° com 0,9 dB. Destaca-se a não linearidade entre os valores do ganho e a condição de curvatura da antena.

D. Coeficiente de Reflexão

Através das dimensões obtidas, as antenas foram desenhadas e simuladas e os resultados de perda de retorno para as quatro antenas encontram-se dispostos na Figura 7.

FIGURA 7–COEFICIENTE DE REFLEXÃO DAS ANTENAS SIMULADAS NA FAIXA DE FREQUÊNCIA DE 1 A 4GHZ.

Por meio da análise da 7 é possível aferir que a antena curvatura de 90° foi a única que não ressoou na faixa de frequência estipulada, apresentando seu primeiro modo para 1.7407 GHz (-6,9106 dB). Esse resultado pode ser atribuído aos cálculos de dimensionamento e ao software, que não apresenta precisão no trato de superfícies curvas. A aplicação de técnicas de casamento de impedância poderia aumentar esse coeficiente de reflexão, embora possa acarretar variação no coeficiente das demais curvaturas, e, portanto, o dimensionamento para aplicação WBAN da antena deva ser centrado na localização corporal e consequente curvatura da aplicação específica.

O pico da primeira frequência de ressonância da antena em sua condição plana ocorre em de 2,465 GHz (-29,5927 dB) com largura de banda de 296.3 MHz, para a curva em 40°

ocorre em 2,4414 GHz (-18,8778 dB) com largura de banda de 336,3MHz, para a curva em 60° ocorre em 2.4496 (- 44,5544 dB) com largura de banda de 284,3 MGHz. Assim, com exceção da condição de 90° de curvatura, todas ressoaram abaixo de -10 dB, estando dentro da faixa de aplicação para o padrão IEEE 802.11b da banda ISM.

E. Densidade de Corrente Superficial

A limitação do software HFSS^® no tocante a precisão de superfícies curvas, resulta na dificuldade de obtenção e análise dos diagramas de densidade superficial e corrente no patch. O gradiente de cor representa as variadas intensidades do ganho em dB. Os menores valores apresentam coloração azul enquanto os maiores valores coloração vermelha, conforme a Figura 8.

(a)

(b)

(c)

(d)

FIGURA 8-DENSIDADE LINEAR DE CORRENTE SUPERFICIAL NA FREQUÊNCIA DE 2,45GHZ PARA A ANTENA PLANA (A), CURVA EM 40°(B),60°(C) E

90°(D).

A partir da Figura 8, observa-se que apesar de todas as antenas simuladas apresentarem mesmo valor de constante dielétrica e tangente de perdas, sua distribuição geométrica atuou de forma significativa no comportamento da densidade linear de corrente. Na antena plana este parâmetro concentra- se mais no início da linha de transmissão e no centro do patch, apresentando densidade máxima de corrente igual a 25,12 A/m.

Conforme a Figura 8 (c), a corrente distribui-se de forma quase uniforme sobre a superfície da antena quando curva em 60°, concentrando-se em alguns poucos pontos, justificando seu elevado valor máximo de densidade de corrente.

A antena curva em 90°, Figura 8 (d), foi a única que ressoou abaixo de -10 dB e apresenta os menores valores de densidade de corrente superficial. Como o HFSS utiliza o método dos elementos finitos, não realizando precisamente superfícies curvas, mostrou-se incapaz de determinar a corrente na superfície da linha de transmissão da antena nessa curvatura, discriminando apenas os valores no patch.

F. SPECIFIC ABSORPTION RATE (SAR)

De acordo com o Padrão IEEE C96.1:2005, 2W/kg é o valor máximo admissível para o SAR. Nas análises realizadas, este valor variou de acordo com o grau de curvatura de cada antena, sem, no entanto, ser ultrapassado por nenhuma delas.

A Figura 9 apresenta o SAR das quatro condições de curvatura da antena obtido para a frequência de maior coeficiente de reflexão de cada uma delas.

(a) (b)

(c) (d)

FIGURA 9–TAXA DE ABSORÇÃO ESPECÍFICA DA ANTENA PLANA (A), CURVA EM 40°(B),60°(C) E 90°(D)

A distância entre o braço e antena foi mantida para todas as quatro situações estudadas, e observou-se a linearidade dos valores da SAR conforme a curvatura da antena, uma vez que o aumento do SAR foi visto na sucessão entres as condições plana (0,39 W/kg), curva em 40° (0,48 W/kg) e em 60° (0,49 W/kg) e a de 90° (0,62). Todas figuraram dentro do padrão IEEE C96.1:2005. A Figura 10 apresenta a vista superior do braço através da qual é possível observar o alcance da radiação no interior do corpo.

(a)

(b)

(c)

(d)

FIGURA10–VISTAINTERNADOBRAÇOESQUERDO EVIDENCIADOAPENETRAÇÃODARADIAÇÃONOCORPO.

ANTENAPLANA(A),CURVAEM40°(B),CURVAEM60°(C),E CURVAEM90°(D).

Conforme a Figura 10, a penetrabilidade de radiação nos tecidos se deu de forma similar entre as condições estudadas, não alcançando o centro do membro. A Tabela 4 apresenta em

resumo os parâmetros da antena de microfita flexível analisada nas quatro condições de curvatura.

TABELA V.PARÂMETROS DA ANTENA NAS QUADRO CONDIÇÕES ANALISADAS

Parâmetro Plana 40° 60° 90°

Ganho máximo (dB) 1,23 1,69 1,33 0,9 Frequência de

ressonância (GHz) 2,46 2,44 2,33 1,74 Coeficiênte de

Reflexão (dB) ^{-29,59 -18,87} -44,55 -6,91 Largura de banda

(MHz) 296.3 336,3 284,3 -

Corrente superficial

media (A/m) 25,12 25,67 141,02 21.62

SAR (W/kg) 0.39 0.48 0.49 0.62

VI. CONSLUSÕES

Na etapa de revisão literária foi possível a escolha e caracterização de um dos tecidos padronizados para uso hospitalar, e embora este não apresente as mesmas propriedades de gramatura e resistência dimensional estabelecidos pela normativa, sua proximidade com os valores exigidos e os encontrados comercialmente suportam sua escolha e subsidiaram o desenvolvimento das etapas de modelagem e simulação.

Na modelagem matemática, os métodos da Cavidade e da Linha de Transmissão mostraram-se eficazes, embora tenha sido necessário o cálculo do fator de compressão para alcance mais preciso da faixa de frequência ISM. A combinação dos Softwares AutoCAD^® e HFSS® mostrou-se eficaz na construção e simulação de antenas curvas, sendo os resultados obtidos fundamentais para a avaliação do comportamento da antena.

O tecido de algodão e poliéster estudado, é indicado para fabricação de antenas para uso em WBAN. Além disso, mais do que questões sociais, de segurança e privacidade, a implantação de ferramentas e-health através da WBAN requer desenvolvimento centrado na aplicação, uma vez que se observou a modificação não linear dos padrões da antena conforme sua curvatura, explicitada pelo maior coeficiente de reflexão atingido em 2.45 GHz dentre as condições do estudo, -44,55dB, não ser da antena plana e sim da curva em 60° e a menor, -6,91 dB, que não ressoou, da de 90°. Junto da disposição geométrica da antena sobre o corpo humano, este atua como um meio dielétrico com perdas e a permissividade relativa da área de contato da antena com o corpo humano pode mudar de impedância na zona de campo próximo da antena e por isso deve ser considerado no projeto de antenas para aplicações WBAN.

Assim, ao final deste trabalho, pode-se concluir que a normalização dos tecidos para uso hospitalar precisa ir além da busca por conforto e higienização, preocupando-se também no atendimento de condições mínimas de implementação das novas ferramentas de telemedicina.

Sugere-se para trabalhos futuros a simulação de novas condições de curvatura em busca da observação de padrões das propriedades das antenas em seu acoplamento as diversas formas angulosas e moveis do corpo humano; utilização de outros materiais têxteis para o substrato, direcionando-se ao encontro das características primordiais do ponto de vista das normas regulamentares; simulação física do comportamento da antena nas curvaturas e disposição corporal deste estudo e

similares; e realização de estudos bibliográficos em busca de possibilidades de uso terapêutico das antenas desenvolvidas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Luann Georgy Oliveira Queiroz, Jackson Angell Alves e Silva, Danilo da Silva Moura, Francisco Magno Monteiro Sobrinho e a Universidade Federal Rural do Semi-Árido.

REFERÊNCIAS

[1] IBGE. "Número de idosos cresce 18% em 5 anos e ultrapassa 30 milhões em 2017." Agência de Notícias. (accessed 08/11/2018, 2018).

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