Biyotelemetri uygulamaları için çoklu bant implant anten tasarımı
Design of multi-band implantable antenna for biotelemetry applications
Yazar: ÖMER FARUK ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Biyotelemetri sistemleri kullanarak çeşitli hastalıkların teşhis ve takibi yapılabilmekte, hasta yaşam kalitesi artırılabilmektedir. Bu sistemlerden bazıları; nabız atış hızı, kan şeker oranın, vücut sıcaklığı, insülin enjekte edilmesi ve endosopi uygulamaları olarak sayılabilir. Telemetri sistemi ile elde edilen veriler implant mikroşerit antenler ile dış dünyaya aktarılmaktadır. Bu işlem ise FCC (Federal Communications Commission) tarafından tahsis edilen MedRadio (401–406 MHz) frekans bandı ile yapılmaktadır. Ancak tek bant kullanımı aynı anda birçok ölçüm yapmayı ve bu ölçüm verilerini iletmeyi mümkün kılamamaktadır. Bunun için çok bantlı antenlere ihtiyaç duyulabilmektedir. Bu kapsamda, bu tez çalışmasında biyotelemetri uygulamalarında kullanılabilecek özelliklerde kompakt yapılı ve çok bantlı performans sergileyebilen implant anten tasarımları geliştirilmiştir.
Önerilen antenler kare ve yarım dairesel simetriye sahiptir ve kare yapılı anten mikroşerit hat besleme tekniği ile, dairesel yapılı anten ise koaksiyel (prob) besleme tekniği ile uyarılmaktadırlar. Çoklu frekans bandı performansının elde edilebilmesi için antenlerin ana ışıma elemanı eş merkezli iç içe kıvrımlı yama yapılarından oluşturulmuştur. Söz konusu kıvrımlı yapıların her bir birer rezonatör gibi davranarak çoklu frekans bandının elde edilmesini sağlamıştır. Diğer taraftan iç içe oluşturulması sayesinde antenin fiziksel boyutu da sınırlandırılarak kompakt konfigürasyonlar elde edilebilmiştir. Kayıplı ve dağıtıcı vücut içi koşullar nedeniyle hayli düşük seviyedeki anten kazancının iyileştirilmesi için ise kare yapılı antenin ana ışıma elemanı üzerinde meta-malzeme yapılarını temel alan periyodik bir katman ayrıca geliştirilmiştir. Sayısal tasarımları sonlu eleman metodunu temel alan Ansoft HFSS aracılığıyla gerçekleştirilen antenlerin test ve karakterizasyonları için prototip üretimleri de gerçeklenmiştir. Bu kapsamda, prototip antenler, ilgili frekanslarda insan deri dokusu özelliği gösteren sıvı fantonlar içerisinde (In-vitro) ve ticari olarak temin edilen domuz kıyması içerisinde ayrı ayrı test edilmişlerdir. Antenlerin HFSS ile elde edilen ve ölçülen geri dönüş kaybı ve ışıma örüntüleri karakteristikleri oldukça uyumludur.  
Sonuç olarak bu tez çalışmasında özgün olarak geliştirilmiş olan çoklu bant implant antenlerin uluslararası standartlarca biyotelemetri uygulamaları için tahsis edilmiş olan MICS, MedRadio, WMTS frekans bantları ile frekans tahsisi gerektirmeyen ISM bantlarını eş zamanlı olarak kapsamasının yanında kompakt yapıda olması ve kabul edilebilir ışıma örüntüsü/kazanç karakteristikleri sergilemektedir. Bu nedenle önerilen antenlerin çoklu bant biyotelemetri sistemleri için önemli bir alternatif olmalarının yanında literatüre etki faktörü yüksek bir çıktı yaratacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
By using biotelemetry systems, diagnosis and follow-up of various diseases can be made, and patient quality of life can be increased. Some of these systems are; pulse rate, blood sugar rate, body temperature, insulin injection and endosopia applications. The data obtained with the telemetry system is transferred to the outside world with implant microstrip antennas. This is done with the MedRadio (401–406 MHz) frequency band allocated by the FCC (Federal Communications Commission). However, the use of a single tape does not make it possible to make many measurements at the same time and to transmit these measurement data. Multiband antennas may be needed for this. In this context, in this thesis, implant antenna designs that can be used in biotelemetry applications with compact structure and multi-band performance have been developed. In this dissertation, two implantable antennas are proposed, and they are designed to have a maximum size of 15×15 〖mm〗^2. That's why; Gain improvement study was carried out by applying meta-material structures to implantable antennas, which have very low gain due to their environmental conditions and physical dimensions. In this way, the resulting original implantable antennas have been proposed with optimum design results.
The proposed antennas have square and semi-circular symmetry, and the square antenna is excited by microstrip line feeding technique, and the circular antenna is excited by coaxial (probe) feeding technique. In order to achieve multi-frequency band performance, the main radiation element of the antennas is formed from concentric, convoluted patch structures. Each of the said coiled structures acted as a resonator, allowing to obtain multiple frequency bands. On the other hand, compact configurations can be obtained by limiting the physical size of the antenna, thanks to its nested formation. In order to improve the very low antenna gain due to lossy and dispersive in-body conditions, a periodic layer based on meta-material structures has also been developed on the main radiation element of the square antenna. Prototype productions were also realized for the tests and characterizations of antennas, whose numerical design was based on the finite element method, using Ansoft HFSS. In this context, prototype antennas were tested separately in liquid phantons (In-vitro) showing human skin tissue characteristics at the relevant frequencies and in commercially supplied pork mince. The return loss and radiation pattern characteristics of the antennas obtained and measured with HFSS are quite compatible.
As a result, the multi-band implant antennas, which were originally developed in this thesis, simultaneously cover MICS, MedRadio, WMTS frequency bands, which are allocated for biotelemetry applications by international standards, and ISM bands that do not require frequency allocation, as well as their compact structure and acceptable radiation pattern/gain characteristics. exhibits. For this reason, it is evaluated that the proposed antennas are an important alternative for multi-band biotelemetry systems and will create an output with a high impact factor in the literature.