BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
ĐẶNG TIẾN DŨNG
NGHIÊN CỨU ĂNG-TEN XOẮN
KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CÁC CẢM BIẾN
VÔ TUYẾN ĐẶT TRONG CƠ THỂ NGƯỜI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
ĐẶNG TIẾN DŨNG
NGHIÊN CỨU ĂNG-TEN XOẮN
KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CÁC CẢM BIẾN
VÔ TUYẾN ĐẶT TRONG CƠ THỂ NGƯỜI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 9.52.02.03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH
PGS. TS ĐỖ QUỐC TRINH
HÀ NỘI - 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều
đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2019
Tác giả
Đặng Tiến Dũng
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn quý báu.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai thầy giáo
hướng dẫn là PGS. TS. Nguyễn Quốc Định và PGS. TS. Đỗ Quốc Trinh
Khoa Vô tuyến - Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Đồng thời tác giả cũng
vô cùng biết ơn vì sự giúp đỡ lớn lao của GS.TS. Yoshihide Yamada. Các
thầy đã luôn động viên, tận tình giúp đỡ và dành những điều kiện tốt nhất
cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành luận
án này.
Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo, Bộ môn Thông tin, Khoa Vô
tuyến - Điện tử, nơi nghiên cứu sinh học tập và tiến hành các nghiên cứu
khoa học vì sự quan tâm, chia sẻ và giúp đỡ những điều kiện thuận lợi nhất
cho nghiên cứu khoa học.
Tác giả cũng rất chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện KTQS,
Trường Sĩ quan Thông tin, Binh chủng Thông tin liên lạc nơi nghiên cứu sinh
công tác vì sự giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho quá trình học tập và nghiên
cứu khoa học.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các bạn nghiên cứu sinh, nhất là
nhóm nghiên cứu về ăng-ten và siêu cao tần tại phòng thí nghiệm của Khoa
Điện - điện tử, Đại học Phòng vệ Nhật Bản đã có nhiều góp ý, hỗ trợ đo kiểm
để tác giả hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ sự biết ơn đối với gia đình, những người
yêu thương nhất đã luôn ủng hộ, động viên, sẻ chia những khó khăn trong
suốt thời gian vừa qua.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ii
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU - Ý NGHĨA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
viii
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN KÍCH THƯỚC NHỎ
DÙNG CHO CẢM BIẾN VÔ TUYẾN TRONG Y TẾ . . . . . . . .
8
1.1. Tổng quan về thiết bị cảm biến vô tuyến dùng trong y tế. . . . . . . . .
8
1.2. Định nghĩa về ăng-ten kích thước nhỏ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.3. Các công trình nghiên cứu, đề xuất sử dụng ăng-ten kích thước nhỏ
trong thiết bị cảm biến vô tuyến cho y tế có liên quan. . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4. Tiêu chuẩn và khuyến nghị về sử dụng thiết bị cảm biến vô tuyến dùng
trong y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5. Lựa chọn giá trị mô cơ dùng cho mô phỏng và thực nghiệm. . . . . .
26
1.6. Lựa chọn phần mềm, xác định phương pháp mô phỏng . . . . . . . . . .
28
1.7. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
Chương
2. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG CÔNG THỨC CHO TÍNH
TOÁN THAM SỐ ĐIỆN CỦA NMHA KHI LÀM VIỆC TRONG
KHÔNG GIAN TỰ DO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1. Các nội dung cơ bản về NMHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.2. Tham số mô phỏng khi NMHA hoạt động trong không gian tự do 38
2.3. Đề xuất sử dụng các công thức để tính toán tham số điện NMHA 39
2.4. Khảo sát và kiểm nghiệm công thức đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương
48
3. XÂY DỰNG CÔNG THỨC CHO THIẾT KẾ CẤU
TRÚC TỰ CỘNG HƯỞNG CỦA NMHA TRONG MÔI TRƯỜNG
ĐIỆN MÔI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1. Cơ sở thúc đẩy nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.2. Mô hình ứng dụng và tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.3. Ảnh hưởng của chất điện môi tới cấu trúc cộng hưởng NMHA . .
52
3.4. Đề xuất công thức thiết kế cấu trúc NMHA trong môi trường điện môi
có độ điện thẩm thay đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MÔI TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỆN
HOẠT ĐỘNG CỦA NMHA VÀ QUY TRÌNH - KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1. Cơ sở nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường điện môi tới đặc tính điện của
NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3. Chế tạo và đo kiểm NMHA trong chất điện môi . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
4.4. Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
ĐÓNG GÓP VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN . .
92
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . .
95
PHỤ LỤC A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
PHỤ LỤC B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh
ASGE
Nghĩa Tiếng Việt
American Society for Gas- Hiệp hội nội soi tiêu hóa Mỹ
trointestinal Endoscopy
AR
Axial Ratio
Tỉ lệ trục bức xạ
BW
BandWidth
Băng thông
ESAs
Electrically Small Antennas
Ăng-ten về điện kích thước
nhỏ
ERP
Equivalent Radiated Power
Công suất bức xạ tương
đương
EIRP
Equivalent Istropic Radiated Công suất bức xạ đẳng
Power
ETSI
FEM
European
hướng tương đương
Telecommunica- Viện Tiêu chuẩn Viễn thông
tions Standards Institute
Châu Âu
Finite Element Method
Phương pháp phần tử hữu
hạn
FDTD
FDA
Finite Difference Time Do- Sai phân hữu hạn miền thời
main
gian
Folded Dipole Antenna
Mẫu ăng-ten lưỡng cực gấp
khúc
GO
Geometrical Optics
Quang hình học
IDM
Implantable Medical Devices Thiết bị y tế cấy ghép
ISM
Industry System Medical
ITU-R
International Telecommuni- Liên minh viễn thông quốc tế
Hệ thống y tế công nghiệp
cation Union – Radiocom- - Thông tin vô tuyến
munication
ii
METAIDS
Meteorological Aids Service
Dịch vụ hỗ trợ thông tin khí
tượng
MICS
Medical Implant Communi- Hệ thống truyền thông y tế
cation System
MLFMM
cấy ghép
Multi-Level Fast Multi-Pole Phương pháp đa tốc độ, đa
Method
mức
MoM
Method of Moment
Phương pháp mô-men
NMHA
Normal-Mode Helical An- Ăng-ten xoắn chế độ thường
tenna
PO
Physical Optics
Quang lý học
PIFA
Planar Inverted F Antenna
Ăng-ten phẳng dạng chữ F
ngược
RFID
Radio Frequency Indentifica- Hệ thống nhận dạng vô
tion
tuyến
RWS
Radio Wireless Sensor
Cảm biến không dây
SAR
Specific Absorption Rate
Tỷ lệ hấp thụ riêng
SDA
Straight Dipole Antenna
Ăng-ten lưỡng cực phẳng
SEP
Surface Equivalence Princi- Nguyên lý bề mặt tương
ple
TPMS
Tire
đương
Pressure
Monitoring Hệ thống giám sát áp suất
System
lốp xe ô tô
UWB
Ultra Wide Band
Băng thông siêu rộng
VSWR
Voltage Standing Wave Ra- Hệ số sóng đứng điện áp
tio
UTD
Uniform Theory of Diffrac- Lý thuyết đồng bộ nhiễu xạ
tion
VNA
Vector Network Analyzer
Phân tích mạng véc-tơ
WCE
Wireless Capsule Endoscopy Viên nhộng nội soi không
dây
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1
Chức năng các loại thiết bị cảm biến trong cơ thể người. . . . . . 9
1.2
Ứng dụng của thiết bị điện tử trong y tế đặt trong cơ thể người. . 10
1.3
Thiết bị cảm biến y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4
Phân bố trường bức xạ quanh ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5
Đặc tính bức xạ của ăng-ten nhỏ. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6
Cấu tạo các lớp mô cơ cánh tay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1
Cấu trúc của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2
Cấu trúc tương đương của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3
So sánh kết quả tính theo công thức, mô phỏng và đo kiểm
cấu trúc tự cộng hưởng của NMHA trong không gian tự do. . . . 37
2.4
So sánh kết quả trở kháng phát xạ của NMHA. . . . . . . . . . . 41
2.5
So sánh kết quả tính toán trở tổn hao của NMHA trong không
gian tự do. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6
So sánh kết quả trở vào của NMHA.
. . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7
So sánh kết quả hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8
Mối quan hệ giữa hiệu suất bức xạ với kích thước của NMHA. . . 45
2.9
So sánh kết quả tỉ lệ bức xạ trục của NMHA. . . . . . . . . . . . 47
2.10 Mối liên hệ giữa tỉ lệ trục bức xạ với kích thước của NMHA.
. . 47
3.1
Ứng dụng và mô hình mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2
Sự phụ thuộc của cấu trúc NMHA vào độ điện dẫn. . . . . . . . 53
3.3
Sự phụ thuộc của cấu trúc NMHA vào độ điện thẩm.
3.4
Phân bố từ trường của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5
Phân bố dòng điện của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6
Điện cảm của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
iv
. . . . . . 54
3.7
Phân bố điện trường của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.8
Mối quan hệ giữa các giá trị của điện trường bề mặt NMHA . . . 61
3.9
Phân bố và mật độ năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.10 Kết quả tính dung kháng và cảm kháng. . . . . . . . . . . . . . 65
3.11 So sánh cấu trúc cộng hưởng của công thức và mô phỏng. . . . . 66
3.12 Kết quả cấu trúc cộng hưởng của NMHA khi H/λg ≤ 0,10. . . . 67
4.1
Rant và Rl của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2
Hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3
Băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4
Phẩm chất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5
Đồ thị bức xạ của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6
Trở vào của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7
Hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.8
Băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.9
Hệ số phẩm chất Q của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.10 Đồ thị bức xạ của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.11 Trở kháng vào của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.12 Phân bố trường điện từ vùng gần của NMHA. . . . . . . . . . . 78
4.13 Rin của NMHA thay đổi theo σ và εr .
. . . . . . . . . . . . . . 79
4.14 Chế tạo NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.15 NMHA đặt trong chất điện môi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.16 Thực nghiệm đo trở kháng vào của NMHA trên VNA. . . . . . . 86
4.17 Trở kháng vào của NMHA khi trong môi trường điện môi. . . . . 86
4.18 Kết quả độ rộng băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . 87
4.19 Đo kiểm trường bức xạ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.20 Bức xạ trên mặt phẳng xy của mẫu 1 (σ = 0,15). . . . . . . . . 89
4.21 Bức xạ trên mặt phẳng yz của mẫu 1 (σ = 0,15). . . . . . . . . 89
4.22 Bức xạ trên mặt phẳng xy của mẫu 2 (σ = 0,89). . . . . . . . . 90
4.23 Bức xạ trên mặt phẳng yz của mẫu 2 (σ = 0,89). . . . . . . . . 90
B.1 Kết quả thu được trở kháng vào . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
v
B.2 Kết quả tính toán phân bố dòng điện trên ăng-ten. . . . . . . . . 100
B.3 Kết quả so sánh cấu trúc tự cộng hưởng của ăng-ten.
B.4 So sánh trở kháng vào của cấu trúc A và B.
. . . . . . 100
. . . . . . . . . . . 101
B.5 Phân bố từ trường vùng gần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
B.6 Phân bố điện trường vùng gần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
B.7 Trở kháng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
B.8 Đồ thị bức xạ 3D (Gϕ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
B.9 Đồ thị bức xạ 2D (Gϕ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
B.10 Đồ thị bức xạ 3D (Gθ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
B.11 Đồ thị bức xạ 2D (Gθ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
vi
DANH MỤC BẢNG
1.1
Thống kê kết quả nghiên cứu về các loại ăng-ten đề xuất dùng
trong cấy ghép y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2
Tham số điện môi của mô cơ thể ở tần số 402 MHz. . . . . . . . 26
1.3
Tham số điện môi của mô cơ thể theo [78]. . . . . . . . . . . . . 27
1.4
Tham số điện môi của mô cơ nhân tạo ở tần số 402 MHz sử
dụng trong luận án. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5
Tổng hợp đặc điểm chính của MoM và FEM . . . . . . . . . . . 31
2.1
Tổng hợp chế độ làm việc, các tham số ăng-ten. . . . . . . . . . 34
2.2
Phương pháp dùng cho thiết kế NMHA.
2.3
Tham số mô phỏng NMHA trong không gian tự do. . . . . . . . 39
2.4
Kết quả khảo sát hiệu quả sử dụng công thức. . . . . . . . . . . 48
3.1
Tham số mô phỏng NMHA trong chất điện môi. . . . . . . . . . 52
3.2
Định lượng giá trị liên quan giữa các tham số. . . . . . . . . . . 62
4.1
Giá trị của trở vào và hiệu suất thay đổi theo σ . . . . . . . . . 78
4.2
Thành phần vật liệu dùng để chế tạo chất điện môi. . . . . . . . 81
4.3
Thứ tự các bước chế tạo chất điện môi . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4
Kết quả đo kiểm chất điện môi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5
Thứ tự các bước chế tạo NMHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
. . . . . . . . . . . . . 38
B.1 Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU - Ý NGHĨA
Ký hiệu
Ý nghĩa
Ví dụ
Chữ thường, in nghiêng
Biến số
x
Chữ hoa, in nghiêng
Hằng số
Y
Chữ hoa, in đậm
Véc tơ
E
ε
Độ điện thẩm
ε0
Độ điện thẩm tuyệt đối
εr
Độ điện thẩm riêng
σ
Độ điện dẫn
µ
Độ từ thẩm
µr
Độ từ thẩm riêng
β
Hệ số phân bố dòng trên dây
ăng-ten
α
Hệ số chiều cao vùng điện tích Q
γ
Mối quan hệ giữa tổng năng
lượng điện và năng lượng dự trữ
k
Số sóng
r
Khoảng cách từ ăng-ten tới điểm
khảo sát trường
viii
MỞ ĐẦU
1. Động lực nghiên cứu.
Ngày nay, vấn đề sức khoẻ và chăm sóc sức khỏe con người đang là mối
quan tâm hàng đầu của nhân loại. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học
kỹ thuật, các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực y tế cũng trở nên rất hiện đại và
đem lại hiệu quả thiết thực. Nhiều nghiên cứu được ứng dụng và phát triển
đã tạo nên các giải pháp hữu ích phục vụ cho lĩnh vực y tế như trong xét
nghiệm, giám sát sức khỏe, điều trị bệnh, v.v. Thiết bị cảm biến không dây
dùng trong cơ thể con người phục vụ trong y tế thực sự là phát minh quan
trọng của ngành điện tử. Các chính phủ, tổ chức viễn thông quốc tế, các nhà
khoa học cũng đã xây dựng các khuyến nghị, tiêu chuẩn khi sử dụng băng
tần, công suất cho ứng dụng này [6]-[14]. Thiết bị cảm biến y tế không dây
đã khắc phục được một số tồn tại của thiết bị truyền thống cùng chức năng
như giảm được hệ thống dây dẫn, tăng độ linh hoạt khi sử dụng, tạo nhiều
thuận lợi cho bệnh nhân khi được tiến hành xét nghiệm, điều trị.
Thiết bị cảm biến dùng trong cơ thể người bằng cách như uống đưa vào,
cấy, ghép trong mô, cơ, bắp thịt hoặc các bộ phận cơ thể. Vì thế, yêu cầu
thiết bị phải có cấu trúc rất nhỏ và hiệu suất truyền dẫn cao để nâng cao
chất lượng truyền nhận dữ liệu thời gian thực giúp cho việc thăm khám, chẩn
đoán bệnh được hiệu quả. Ăng-ten là một thành phần quan trọng trong khối
1
truyền thông của thiết bị cảm biến cho nên cần phải đạt được các yêu cầu
nghiêm ngặt của thiết bị y tế như: kích thước nhỏ; hiệu suất bức xạ cao; tiêu
tốn ít năng lượng; tuân thủ về tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR: specific absorption
ratio) trong môi trường sinh học có sự suy hao phức tạp.
Hiện nay, qui trình của việc chế tạo ăng-ten thường được thực hiện như
sau: thiết kế cấu trúc, tính toán tham số của ăng-ten thông qua phần mềm
mô phỏng - đây là bước thực hiện đầu tiên, chủ yếu và phổ biến. Đối với
một số ăng-ten cơ bản thì việc thiết kế - tính toán này có thể thực hiện bằng
công thức. Bước cuối cùng là thực nghiệm chế tạo, đo kiểm, so sánh kết quả
thu được. Qui trình này thường phải kết hợp, lặp lại để điều chỉnh nhằm thu
được ăng-ten như thiết kế, cho kết quả làm việc tốt nhất.
Vì vậy, luận án sẽ đề xuất sử dụng ăng-ten xoắn (NMHA: Normal-Mode
Helical Antenna) cho thiết bị cảm biến ứng dụng trong y tế. Trong đó, nội
dung nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề sau: hoàn thiện giải pháp thiết
kế, tính toán NMHA trong thiết bị khi làm việc ở không gian tự do bằng
cách đề xuất sử dụng các công thức của ăng-ten cơ bản có kiểm nghiệm hiệu
quả sử dụng; đề xuất giải pháp thiết kế NMHA đạt tự cộng hưởng trong môi
trường điện môi bằng công thức được xây dựng mới; đánh giá sự ảnh hưởng
của môi trường điện môi tới hoạt động của ăng-ten.
Do đó, tác giả lựa chọn và thực hiện đề tài "Nghiên cứu ăng-ten xoắn
kích thước nhỏ dùng cho các cảm biến vô tuyến đặt trong cơ thể
người". Kết quả của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện giải pháp thiết kế, tính
toán NMHA thông qua hệ thống công thức, đánh giá ảnh hưởng của môi
trường tới hoạt động của ăng-ten nhằm mở ra nhiều nội dung tiếp theo có
thể phát triển đưa NMHA làm việc trong thực tế.
2
2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
• Mục tiêu nghiên cứu.
Giải pháp thiết kế, tính toán NMHA bằng cách sử dụng công thức được
tổng hợp trong bảng dưới đây.
Tham số
Cấu trúc cộng hưởng
Tính toán tham số điện
Không gian tự do
Mô phỏng
Công thức
[43]
[36]
[43]
Chưa được đề xuất
Môi trường điện môi
Mô phỏng Công thức
[43]
Chưa có
[43]
Chưa có
Hiện tại, sử dụng công thức cho thiết kế NMHA mới chỉ có cho cấu trúc
tự cộng hưởng trong không gian tự do được công bố trong tài liệu [36].
Vì vậy, mục tiêu của đề tài sẽ là:
- Đề xuất giải pháp thiết kế, tính toán cho NMHA bằng công thức:
+ Đề xuất được công thức tính toán tham số điện khi ăng-ten làm việc
trong không gian tự do.
+ Đề xuất và phát triển mới công thức thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng
cho ăng-ten sử dụng trong môi trường điện môi1 .
- Đánh giá được ảnh hưởng của môi trường điện môi tới hoạt động của
NMHA, thực nghiệm và đo kiểm, so sánh kết quả để có kết luận chính xác,
độ tin cậy của nội dung luận án đã trình bày.
• Đối tượng nghiên cứu.
- NMHA làm việc trong các môi trường khác nhau gồm: không gian tự do
và môi trường điện môi.
- Các công cụ dùng cho thiết kế, tính toán NMHA ứng dụng trong thực
tiễn. Các tiêu chuẩn, khuyến nghị về chuyên ngành chung cũng như riêng cho
lĩnh vực mà ứng dụng hướng tới.
1 Môi trường điện môi là tên gọi dùng trong luận án có tham số, tính chất tương đương mô cơ thể người và sẽ được
tác giả trình bày xuyên suốt, thống nhất trong luận án
3
• Phạm vi nghiên cứu.
- NMHA làm việc trong không gian tự do và môi trường điện môi, dải tần
công tác mà khuyến nghị quốc tế đặt ra: 402-405 MHz (MICS: Medical Implant Communication System) và 2,4 GHz (ISM: Industry System Medical).
3. Nhiệm vụ của nghiên cứu.
Để đạt được mục tiêu với đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, luận án tập
trung vào một số vấn đề sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cảm biến, cấu tạo, thành phần của
thiết bị cảm biến dùng trong y tế. Đánh giá những ưu điểm đã đạt được,
tìm ra những điểm còn tồn tại cần phải nghiên cứu cải tiến, khắc phục về
ăng-ten kích thước nhỏ được ứng dụng trong thời gian gần đây để có cơ sở,
động lực cho nghiên cứu đề xuất sử dụng NMHA. Lựa chọn mô hình, lựa
chọn phần mềm mô phỏng, phương pháp, cách thức mô phỏng để thu được
kết quả chính xác trong quá trình nghiên cứu của luận án.
- Nghiên cứu và đề xuất công thức tính toán tham số điện của NMHA
trong không gian tự do thông qua sử dụng các công thức của ăng-ten cơ bản
phù hợp, khảo sát hiệu quả khi được sử dụng. Các công thức tính toán này
cùng với việc sử dụng phần mềm mô phỏng sẽ làm tăng hiệu quả, tính chính
xác trong thiết kế chế tạo. Các công thức được đề xuất sẽ góp phần hoàn
thiện giải pháp thiết kế NMHA trong không gian tự do.
- Nghiên cứu và xây dựng mới công thức thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng
của NMHA trong môi trường điện môi, đánh giá hiệu quả công thức khi thiết
kế. Công thức này được sử dụng cho thiết kế, chế tạo cùng với sử dụng phần
mềm mô phỏng sẽ làm tăng hiệu quả, tính chính xác trong thực tế sử dụng.
4
Đây cũng là công thức nền tảng cho sự phát triển ứng dụng NMHA làm việc
trong chất điện môi.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chất điện môi tới hoạt động của NMHA khi
làm việc. Kết quả thu được sẽ đánh giá khả năng hoạt động của NMHA một
cách chính xác nhất cho ứng dụng trong thiết bị cảm biến dùng trong y tế.
Chế thử, đo kiểm, so sánh giữa các kết quả để tăng độ tin cậy, tính chính xác
của nội dung nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu được tác giả thực hiện kết hợp giữa cơ sở lý
thuyết với kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra kết luận và kết quả nghiên cứu.
Kết quả trình bày đều được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật
ăng-ten và truyền sóng, lý thuyết về thiết kế ăng-ten. Đồng thời cũng nghiên
cứu các nội dung liên quan tới tham số đặc tính của môi trường khi thiết
bị cảm biến có ăng-ten kích thước nhỏ hoạt động. Trên cơ sở nghiên cứu lý
thuyết, tác giả tiến hành xây dựng mô hình, lựa chọn tham số mô phỏng
phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ nghiên cứu. Lựa chọn phần mềm mô phỏng,
phương pháp mô phỏng phù hợp với mô hình bài toán cần giải quyết. Xây
dựng mới, đề xuất sử dụng công thức trên nền lý thuyết truyền thống, gắn
với mô hình, tham số, mức độ ảnh hưởng đã xác định. Để kiểm chứng tính
chính xác, các kết quả công thức, mô phỏng và thực nghiệm được so sánh với
nhau. Kết quả so sánh được hiển thị thông qua biểu đồ tại các giá trị thông
số đặc trưng.
Tổng hợp các bước nghiên cứu được tác giả trình bày trong phụ lục A.
5
5. Cấu trúc của luận án.
Các kết quả và đóng góp mới của luận án được trình bày chi tiết trong 4
chương của luận án như sau:
Chương 1: Tổng quan về ăng-ten kích thước nhỏ dùng cho cảm
biến vô tuyến trong y tế
Chương này trình bày tổng quan về cảm biến vô tuyến dùng trong y tế.
Trình bày tổng quan về ăng-ten kích thước nhỏ đề xuất dùng cho cảm biến
vô tuyến trong y tế. Ngoài ra, nội dung chương còn trình bày các tiêu chuẩn,
khuyến nghị của quốc tế về lĩnh vực này. Các nội dung cơ bản cho nghiên
cứu như: lựa chọn mô hình và tham số của điện môi cho mô phỏng; lựa chọn
phần mềm mô phỏng; phương pháp mô phỏng để thu được kết quả chính xác;
Đây là các vấn đề cơ bản làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu, để từ đó
khẳng định tính chính xác của nội dung nghiên cứu phục vụ cho luận án.
Chương 2: Đề xuất sử dụng công thức cho tính toán tham số điện
của NMHA khi làm việc trong không gian tự do
Chương này đề xuất sử dụng, khảo sát tính hiệu quả của một số công thức
dùng cho tính toán tham số điện của NMHA khi làm việc trong không gian
tự do (đây là các công thức của ăng-ten cơ bản đã được công bố). Các công
thức này được so sánh với kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm để ước
lượng sai số tính toán khi sử dụng.
Chương 3: Xây dựng công thức cho thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng
của NMHA trong môi trường điện môi
Chương này trình bày nội dung xây dụng mới công thức cho giải pháp thiết
kế cấu trúc NMHA đạt được tự cộng hưởng khi làm việc trong môi trường
6
điện môi (tính chất môi trường giả lập tương đương mô, cơ thể người). Công
thức này được so sánh với kết quả mô phỏng và khảo sát kết quả sử dụng
cho các cấu trúc NMHA rất nhỏ để khẳng định tính chính xác khi thiết kế.
Chương 4: Ảnh hưởng của điện môi tới đặc tính điện hoạt động
của NMHA và quy trình - kết quả thực nghiệm
Chương này trình bày kết quả đánh giá ảnh hưởng của môi trường điện
môi tới hoạt động của NMHA. Trình bày qui trình chế thử NMHA, chế thử
chất điện môi để dùng đo kiểm và so sánh kết quả. Thực nghiệm, đo kiểm
vừa khẳng định sự chính xác của các kết quả đã trình bày đồng thời cũng là
cơ sở để tiếp tục phát triển, nghiên cứu về NMHA trong tương lai.
Trong phần kết luận, tác giả tóm tắt các nội dung đã trình bày, các kết
quả đã đạt được, những đóng góp của luận án, các nội dung tiếp tục hoàn
thiện và hướng phát triển tiếp theo.
Phần phụ lục A trình bày thứ tự các bước nghiên cứu của luận án.
Phần phụ lục B trình bày nội dung về so sánh kết quả của hai phương
pháp mô phỏng MoM và FEM, thông qua so sánh luận án lựa chọn được giá
trị cho tham số mô phỏng, phương pháp mô phỏng để kết quả thu được từ
là chính xác, phù hợp nhất.
7
- Xem thêm -