Biyomedikal uygulamalar için implant edilebilen mikroşerit anten tasarımı ve üretimi
Implantable microstrip antenna design and fabrication for biomedical applications
Yazar: YUNUS EMRE YAMAÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: MICS = MICS ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Optimizasyon = Optimization ; PIFA = PIFA

Özet:
Hastaların hareketlerini ve davranışlarını kısıtlamadan uzaktan radyo sinyalleriyle kontrollerini sağlayan biyomedikal telemetrinin önemi her geçen gün daha fazla artmaktadır.  Biyomedikal telemetri sayesinde mikrodalga görüntüleme, kalp ritim bozuklukları, nabız düzeni, vücut ısısı, solunum hızı, kan şekeri, kandaki oksijen miktarı gibi bulgulara ulaşılabilmekte, kanser teşhis ve tedavisi yapılabilmektedir. Bu bağlamda, söz konusu uygulamalarda kullanılabilecek özelliklerde biyosensörlere ve vücut içine yerleştirilebilen implant antenlere olan ilgi artmıştır. Medical İmplant Communication Service (MICS) bandı biyomedikal uygulamalar için tahsis edilmiştir.

Bu tezde biyomedikal telemetri için 153.35 mm3 (10.5 11.5 1.27 mm) anten boyutları ile minyatüre edilmiş implant edilebilen mikroşerit bir anten tanıtılıyor. Sunulan anten tasarımı 402-405 MHz'de MICS bandını ve 433-434 MHz, 2.45 GHz'de ise iki ISM (Industrial, Scientific and Medical) bandını kapsıyor. Antenin ışıma elemanı üç adet eş-merkezli kare yarık halka ve üç adet metalik yoldan oluşmaktadır. Ayrıca kısa devre pin en dıştaki yarık halka ile toprağı doğrudan birbirine bağlamaktadır. Anten Rogers 3010 taban malzemesi üzerine üretilmiştir. Aynı materyal üst katman malzemesi olarak da kullanılmıştır. Ayrıca toprak düzlemi antenin rezonans karakteristiğini artıran üç adet boşluk yapısı içerir.

İmplant antenin tam dalga analizi zaman domeninde sonlu integral tekniğinden faydalanan CST Microwave Studio programı kullanılarak gerçekleştiriliyor. Simülasyon sırasında anten dielektrik özellikleri tamamen frekansa bağımlı olan tek katmanlı deri dokusu modeli içerisine yerleştirilmiştir. Bu tez kapsamında ayrıca sunulan antenin vücut dışı ölçümleri de yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar tatmin edicidir. Buna ek olarak tasarımdaki esnekliği göstermek için üç farklı boyutta anten tasarımı da bu tez içerisinde sunulmuştur.

Sunulan optimum anten tasarımı MICS bandında yaklaşık olarak %42.1 ve ISM bandında ise %5.8 bant genişliği sunuyor. Maksimum anten kazançları sırasıyla −39 dB ve −22.9 dB'dir ve SAR değerleri sırasıyla 369 W/kg ve 396.4 W/kg'dır.

Abstract:
Without restricting movement and treatment of patients, the importance of biomedical telemetry that provides control in distance by means of radio signals has been greater than ever. Thanks to biomedical telemetry, symptoms such as microwave monitoring, arrhythmia, sphygmic, body temperature, respiratory rate, blood sugar, oxygen content of blood can be achieved, and diagnosis and treatment of cancer can be done. In this context, biosensors and implantable antennas having features for these applications have gained considerable attention. Medical İmplant Communication Service (MICS) band was allocated for biomedical application.

In this thesis a dual-band implantable microstrip antenna design is introduced with a miniaturized size of antenna 153.35 mm3 (10.5 11.5 1.27 mm) for biomedical telemetry. The proposed antenna design includes in MICS (402-405 MHz) band and 433-434 MHz, 2.45 GHz two Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands. The radiating layer of the antenna is composed of three concentric square split-ring elements and three metallic pad placed between them. Also a shorting-pin is directly connects the outer ring element to the ground plane. The antenna is fabricated on the substrate of the Rogers 3010. The same material is used for the superstrate. Also ground planes have three slots that improve resonance characteristic of the antenna. 

The full-wave analyses of the implant antennas are carried out using CST Microwave Studio, utilizing the time-domain finite-integration technique. During the simulation, the antenna is placed in a one-layer skin model whose dielectric properties are fully frequency dependent. Also, in vitro antenna measurements are made within the context of this thesis. The obtained results are satisfactory. In addition, three different sizes of antenna to show flexibility in design is presented in this thesis.

The proposed optimum antenna design offers at MICS band approximately 41.2% bandwidth and at ISM band approximately %5.6 bandwidth. Antenna gains are −39 dB and −22.9 dB and SAR values are 369 W/kg and 396.4 W/kg, respectively.