Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei...
Transcript of Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei...
![Page 1: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/1.jpg)
angefertigt von
cand. ing. Nataša Penić bei
Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet
Hochfrequenztechnik
an der
Universität Duisburg-Essen
Vortrag über die Diplomarbeit
![Page 2: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/2.jpg)
Optimization of an On-Body
Antenna
Thema
![Page 3: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/3.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 3
Inhalt
• Motivation
• Grundlagen zur Patch-Antenne
• Wechselwirkung zwischen Antenne und Körper
• Simulationen
• Messaufbau
• Messergebnisse
• Zusammenfassung und Ausblick
![Page 4: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/4.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 4
Motivation
• Die Herstellung einer Patch-
Antenne für eine
Arbeitsfrequenz von 880 MHz
• Die Antenne wird sehr nah am
Körper positioniert
• Mit Hilfe der
Reflexionsmessung erfolgt die
Herzschlagmessung
Vormessungen mit dem
Netzwerkanalysator
![Page 5: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/5.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 5
Motivation
• Den Einfluss des Körpers mit Hilfe einer
Schutzschicht (engl.: stacked antenna)
minimieren
• Das Wasserkissen gleicht die Unebenheiten der
Brust aus und wirkt als Energiekoppler
• Der Luftspalt minimiert den Einfluss des Körpers
![Page 6: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/6.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 6
Grundlagen zur Patch-Antenne
• Der Antennen-Typ ist die
Rechteckmikrostreifenleitungs-
antenne
• Mit der Patch-Länge L wird die
Resonanzfrequenz 𝑓0 und der
Grundschwingungstyp (TM mode)
eingestellt
• Über die Position des
Einspeisungspunktes 𝑥0 𝑦0 wird
die Eingangsimpedanz 𝑍𝐸
![Page 7: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/7.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 7
Grundlagen zur Patch-Antenne
• Die relative Permittivität 𝜀𝑟 des
Substrates beeinflusst die
Antennen-Größe
• Die Substrathöhe h hat einen
Einfluss auf die Antennen-
Bandbreite
• Die Signaleinspeisung erfolgt
über eine koaxiale Leitung
![Page 8: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/8.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 8
Grundlagen zur Patch-Antenne
Für das Fernfeld gilt:
• die Kanten der Breite W
werden als die strahlenden
Seiten bezeichnet (Schnitt in
der xz-Ebene)
• die Kanten der Länge L
werden als die nicht
strahlenden Seiten bezeichnet
(Schnitt in der yz-Ebene)
![Page 9: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/9.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 9
Wechselwirkung zwischen
Antenne und Körper
• Der Körper ist ein verlustbehaftetes Medium und hat einen
Einfluss auf die Antenneneigenschaften
⇒ Fehlanpassung und Frequenzverschiebung
• Die Antenneneinwirkung auf den Körper äußert sich durch die
Absorption elektromagnetischer Wellen
⇒ lokale Erwärmung (SAR)
![Page 10: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/10.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 10
Wechselwirkung zwischen
Antenne und Körper
• Die dielektrischen Eigenschaften variieren sehr stark von
Schicht zu Schicht und sind Frequenzabhängig
• Die zwei Körpermodelle:
(1) Das Ein-Schicht-Modell
(2) Das Drei-Schichten-Modell
![Page 11: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/11.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 11
Simulationen
Zwei Antennen aus dem Substrat RO3010 mit
jeweils unterschiedlicher Substrathöhe ℎ :
• RO3010 mit 𝜀𝑟 = 10.2
• Antenne A mit ℎ = 0.635 mm
• Antenne B mit ℎ = 1.27 mm
• Antenne A und B wurden mit einem Luftspalt (ca.
2.5 mm) und dem Wasserkissen optimiert
![Page 12: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/12.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 12
Simulationen
Folgende Aspekte werden hervorgehoben:
• Die Veränderung der Resonanzfrequenz 𝑓0 und
des Reflexionsfaktors 𝑆11 über einen
Distanzbereich
• Der Leistungsfluss 𝑆𝑥𝑦𝑧 (engl.: power flow) im
Vergleich in das Gewebemodell mit und ohne
Wasserkissen
![Page 13: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/13.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 13
Simulationen - Distanzbereich
Reflexionskoeffizient 𝑆11 über die Distanz 𝐷 bei Antenne B
![Page 14: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/14.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 14
Simulationen - Distanzbereich
Frequenzabweichung zur 𝑓0 = 880 𝑀𝐻𝑧 über die Distanz 𝐷
![Page 15: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/15.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 15
Simulationen - Distanzbereich
Reflexionskoeffizient bei 𝑓0 = 880 𝑀𝐻𝑧 über die Distanz 𝐷
![Page 16: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/16.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 16
• Leistungsfluss 𝑆𝑥𝑦𝑧 der Antenne B in der xz-Ebene bei der
Resonanzfrequenz 880 MHz
D = 3 mm mit Wasserkissen D = 0.75 mm ohne Wasserkissen
Simulationen - Leistung
![Page 17: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/17.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 18
Simulationen - Leistung
• Leistungsfluss 𝑆𝑥𝑦𝑧 der Antenne B in der yz-Ebene bei der
Resonanzfrequenz 880 MHz
D = 3 mm mit Wasserkissen D = 0.75 mm ohne Wasserkissen
![Page 18: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/18.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 20
Messaufbau
Netzwerkanalysator
Rohde & Schwarz Messphantom
Messsonde
![Page 19: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/19.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 21
Messaufbau - Antenne
Unterkonstruktion
mit Antenne
![Page 20: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/20.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 22
Messaufbau - Messsonde
• Schleifen – Antenne (engl.: loop antenna)
• Messung der magnetischen Feldstärke 𝐻𝑦 in
Abhängigkeit der Position
![Page 21: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/21.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 23
Messergebnisse
Messungen am Messphantom ohne Wasserkissen
![Page 22: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/22.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 24
Messergebnisse
Antenne B am Messphantom mit und ohne Wasserkissen
![Page 23: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/23.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 25
Messergebnisse
𝑆11= - 25.92 dB
𝑓0= 880 MHz
𝑆11= - 16.41 dB
Vergleich der magn. Feldstärke 𝐻𝑦 mit und ohne Wasserkissen
![Page 24: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/24.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 26
Zusammenfassung
• Die Antenne A arbeitet bei einer Frequenz von
890 MHz
• Antenne A zu dünn und biegsam
• Die Antenne B arbeitet bei einer Arbeitsfrequenz
von 880 MHz
• Antenne B kann über die Distanz gut angepasst
werden
![Page 25: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/25.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 27
Ausblick
• Eine Antenne herstellen, die direkt auf das
Wasserkissen positioniert wird (ohne Luftspalt)
• Eine Schutzschicht auf dem Patch mit denselben
Substrateigenschaften anstatt des Luftspalts
![Page 26: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/26.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 28
Ende
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
![Page 27: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/27.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 29
• Leistungsfluss 𝑆𝑥𝑦𝑧 in 5 ° Schritten der Antenne B in der
xz-Ebene bei der Resonanzfrequenz 880 MHz
D = 3 mm
mit Wasserkissen
D = 0.75 mm
ohne Wasserkissen D = 3 mm
mit kleinem
Wasserkissen
![Page 28: Vortrag über die Diplomarbeit · 2018. 6. 21. · angefertigt von cand. ing. Nataša Penić bei Prof. Dr.- Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052521/60aaef3577b3af58a1085568/html5/thumbnails/28.jpg)
Nataša Penić, 23.02.2012 Seite 31
• Leistungsfluss 𝑆𝑥𝑦𝑧 in 5 ° Schritten der Antenne B in der
yz-Ebene bei der Resonanzfrequenz 880 MHz
D = 3 mm
mit Wasserkissen
D = 0.75 mm
ohne Wasserkissen D = 3 mm
mit kleinem
Wasserkissen