Sema Dumanli - ursi.org.tr

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
İki Modlu Işıma Örüntülü Vücut Alan Ağı Ağ Geçidi Anteni
Sema Dumanli Oktar
Toshiba Research Europe
32 Queen Square
Bristol, UK
[email protected],
Özet: Vücut üzeri anten tasarımı, vücut gibi kayıplı ve büyük bir kütlenin, antenin yakın alanında bulunması ve
aralarındaki etkileşim nedeniyle zorlu bir görevdir. Kayıpların en aza indirilip sensör ömrünün uzatılması için;
anten, uygulamaya bağımlı ışıma örüntüsüne sahip ve vücudun yakın alan etkilerine olabildiğince duyarsız
tasarlanmalıdır. Bu çalışmada, ışıma örüntüsünü, kurulacak bağlantı türüne göre değiştirilebilen iki modlu
orijinal bir ağ geçidi anteni sunulmaktadır.
Abstract: Antenna design for Body Area Networks (BAN) is a challenging task due to the body being in the near
field of the antenna and the interaction between two. In order to minimize the losses and maximize the battery
lifetime, the antenna should be designed to have a more application dependent gain pattern and to be less
sensitive to near field effects of the body. Here a dual mode antenna tackling aforementioned problems has been
proposed.
1. Giriş
Vücut alan ağlarında (VAA) üç çeşit bağlantı söz konusudur. Bunlardan birincisi vücut içi, ikincisi vücut üzeri,
üçüncüsü vücut dışı olarak tanımlanabilir. Herhangi bir kısmı vücudun içinde kurulan bağlantılara vücut içi,
vücut komşuluğuna yerleştirilmiş sensörler arasında kurulan bağlantılara vücut üzeri bağlantı denir. Vücut içi
sensörlere örnek olarak, akıllı kalp pili, akıllı ortopedik ekme; vücut üzeri sensörlere örnek olarak ise sıcaklık
sensörü, EKG sensörü veya hareket sensörü verilebilir. Vücut dışı bağlantılar ise bahsi geçen vücut üzeri
sensörler ile vücuttan uzakta bulunan ağ geçitleri veyahut başka bir vücut üzerindeki vücut üzeri sensörler
arasında kurulan bağlantılardır[1].
Şekil 1 Vücut alan ağı tipik mimarisi
Bir vücut ağ geçidi anteni, birçok mimaride hem vücut üzeri hem de vücut dışı bağlantılar kurar, bkz. Şekil 1. Bu
iki bağlantı için birbirinden farklı ışıma örüntülerine ihtiyaç vardır. Vücut üzerinde bulunan sensörler arasında
kurulan bağlantılarda, ışıma vücut boyunca antenin yatay düzleminde yönelmesiz ve tercihen dikey polarize
olmalıdır[4][5][6]. Vücut dışı bağlantılar için ise ışıma antenin dikey düzleminde, vücuttan dışarı doğru
yönlenmeliyken kutuplanma kritik değildir. Kayıpların en aza indirilip sensör ömrünün uzatılması için; ağ geçidi
anteni, kurulacak bağlantıya göre bahsi geçen ışıma örüntülerinin ikisini de harekete geçirebilmelidir [2][3].
Bunlara ek olarak, vücut komşuluğunda çalışacak antenin, vücuttan olabildiğince izole olabilmesi için yer
düzleme sahip ve de kullanıcı tarafından kolay kabul edilmesi açısından küçük ve ya esnek olmalıdır.
Bu çalışmada ışıma örüntüsünü, kurulacak bağlantı türüne göre anahtarlamayla döndürebilen iki modlu orijinal
bir ağ geçidi anteni sunulmaktadır.
2. Anten Tasarımı
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Kısa devre edilmiş yama antenlerin TM00 modu monopol antenin ışıma örüntüsüne benzer yönelmesiz bir ışıma
örüntüsüne sahiptir. Bu mod hakkında çok fazla araştırma yapılmamış olmakla birlikte, literatürde genişçe yer
alan kısa devre edilmiş halka antenin TM01 moduyla benzeşir [7] [8]. Öte yandan kısa devre edilmiş yama
antenin VAA’da kullanımı [6]’da tartışılmış, vücut üzeri bağlantıları için uygunluğu ispatlanmıştır.
Bu çalışmadaki anten adı geçen TM00 modunu veya standart yama antenin dominant modu olan TM01 modunu
anahtarlama ile aktive etmektedir. Anten yer düzleminin altına yerleştirilen ikinci bir katman yardımıyla
anahtarlamayı gerçeklemektedir.
Şekil 2 İki modlu ağ geçidi anteni
3. Benzetim ve Ölçüm
Benzetimi HFSS ile yapılan iki modlu antenin geri dönüş kaybı karakteristikleri Şekil 3’de görülmektedir.
Ölçümler ile benzetim arasındaki uyum tatmin edici düzeydedir.
Şekil 3 Geri dönüş kaybı karakteristikleri
Vücut dışı modunun ve vücut üzeri modunun 2,5 GHz’teki HFSS ile benzetilmiş ışıma örüntüleri sırayla Şekil 4
ve Şekil 5’te verilmektedir. Vücut dışı mod amaçlanan performansa sahipken, vücut üzeri modunda besleme
tekniğinden kaynaklanan bir yönelme gözlemlenmiştir. Vücut üzerine yerleştirilen sensörlerin yönleri bilindiği
sürece bu yönelim kazanç olarak sisteme geri dönüştürülebilir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 4 Vücut dışı modunun 2,5 GHz’deki kazanç örüntüsü
Şekil 5 Vücut üzeri modunun 2,5 GHz’deki kazanç örüntüsü
3. Sonuç
VAA alan ağzı anteni olarak kullanılmak üzere çift modlu yeni bir anten ileri sürülmüştür. Uygulamaya
uygunluğu ve performansı sunulmuştur.
Kaynaklar
[1]. Hall P. S., Hao Y., “Antennas and propagation for body centric communications”, Proc. European
Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2006), Nice, France, 2006.
[2]. Dumanli S., Gormus S., Craddock I.J., “Energy efficient body area networking for mHealth applications,”
6th International Symposium on Medical Information and Communication Technology (ISMICT), s.1,4, 25-29
Mart 2012.
[3]. Dumanli S., Gormus S., Craddock I.J., “Energy efficient body area networking nased on Off-the-shelf
Wireless Sensors,” 8th Internation Conference on Body Area Networks, s. 103,107, Ekim 2013.
[4]. Hall P.S., Yang Hao, Nechayev Y.I., Alomainy A., Constantinou C.C., Parini C., Kamarudin M.R., Salim
T.Z., Hee D.T.M., Dubrovka R., Owadally A.S., Wei Song, Serra A., Nepa P., Gallo M., Bozzetti M., “Antennas
and propagation for on-body communication systems,” IEEE Antennas and Propagation Magazine , vol.49, no.3,
s.41,58, Haziran 2007.
[5]. Alves T., Poussot B., Laheurte J.-M., “Analytical Propagation Modeling of BAN Channels Based on the
Creeping-Wave Theory,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59, no.4, s.1269,1274, Nisan
2011.
[6]. Conway G.A., Scanlon W.G., “Antennas for Over-Body-Surface Communication at 2.45 GHz,” IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, vol.57, no.4, s.844,855, Nisan 2009.
[7] Gonzalez-Posadas, V., Segovia-Vargas D., Rajo-Iglesias E., Vazquez-Roy J. L., Martin-Pascual C.,
“Approximate analysis of short circuited ring patch antenna working at TM01 mode”, Antennas and
Propagation, IEEE Transactions on , v.54, no.6, s.1875,1879, 2006.
[8] Merce N., Tejedor P., Vassal’lo J., “The TM01 mode of microstrip radiators and some of its applications”,
Ninth International Conference on Antennas and Propagation, s.33-36 , 4-7 Nisan 1995.