Performance assessment of electrically small antennas for implantable microsystems with wireless power and communications

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)

Implantable medical electronic devices have a limited lifetime that is often dictated by their batteries’ size and capacity. Energy harvesting and wireless power transfer technologies have the capability to supply power to these devices, making the use of smaller batteries a possibility, which in turn would give birth to new applications requiring smaller devices. The use of radiofrequency to wirelessly transport energy over long distances is an extremely attractive field of investigation, since it is currently used in communication systems and doesn’t pose harm to the human body as long as established exposure limits are not exceeded. An ultra-small antenna is proposed to be used in wireless power transfer (WPT) applications, and its characterization was attempted during this dissertation. Several issues concerning the antenna’s 500 μm dimension had to be faced and overcome, namely antenna handling and the creation of an interface that would allow the antenna to communicate with external instrumentation, such as a virtual network analyzer (VNA). For this purpose, coplanar waveguides (CPW) were designed. Unfortunately, the CPW’s massive size difference comparatively to the antenna caused the first to be better than the latter at radiating energy, as experimentally and numerically verified. To work around this issue, transmission lines with dimensions comparable to those of the antenna were designed and their functionality was tested in a simulation environment. An ultra-small antenna characterization protocol inside an anechoic chamber is proposed in this dissertation, and its feasibility is demonstrated resorting to CPW-based systems, namely a raw CPW, a CPW terminated by a water droplet, a CPW terminated by the ultra-small antenna and a CPW terminated by the antenna surrounded by a water droplet. The use of CPWs and not the small transmission lines was due to the fabrication process of said lines being complex and not yet optimized. HFSS is used in order to validate the antenna characterization protocol, namely by demonstrating that rotating a DUT in relation to a transmission antenna results in a variation of the forward gain, or S21 parameter, that correlates to the rotated DUT’s radiation pattern. The results from the measurement of the four systems’ radiation patterns inside the anechoic chamber further validated the protocol, as measured values presented a resemblance to simulated ones. Even more importantly, experimental results allowed the identification of several interference sources which degraded the obtained radiation patterns, namely reflections of emitted RF signals by transmission cables and support structures, and the evaporation of the water droplet over time, changing its shape and volume, which has been proven to influence an antenna’s behavior. In order to prevent the latter, and at the same time allow measurements to be performed with the antenna surrounded by a human tissue simulant, a phantom with dielectric properties similar to those of the human body has been produced and its stability over 60 minutes has been tested, with its properties remaining unchanged. Currently, there are no validated methods or commercially available instrumentation to perform the characterization of an ultra-small antenna, which puts into perspective the difficulty of the task at hand. Nevertheless, during this dissertation protocols and methods were proposed based on simulations and measurements. Moreover, limitations associated with them have been identified, e.g. the necessity of having ultra-small mounting structures and transmission lines. Solutions to these limitations were also found and proposed, therefore being this work a significant step towards the characterization of ultra-small antennas.

Dispositivos médicos implantáveis têm um tempo de vida que é geralmente ditado pelo tamanho e capacidade das suas baterias. Tecnologias de energy harvesting e wireless power transfer têm potencialidade para fornecer energia a estes dispositivos, possibilitando o uso de baterias de mais reduzidas dimensões. O uso de radiofrequências para transportar energia sem fios a longas distâncias é alvo de interesse no mundo da investigação, visto que as radiofrequências são atualmente utilizadas em sistemas de comunicação e não apresentam riscos para o corpo humano, desde que limites de exposição definidos não sejam ultrapassados. Propôs-se a utilização de uma antena ultrapequena em aplicações de wireless power transfer, sendo que durante a presente dissertação tentou-se a sua caracterização. Várias dificuldades associadas à sua dimensão de apenas 500 μm foram enfrentadas e ultrapassadas, nomeadamente o manuseamento da antena e a criação de uma interface que permite a comunicação da antena com instrumentação, como por exemplo um VNA. Para este fim, guias de onda coplanares (CPW) foram projetados. Infelizmente, a grande dimensão do CPW comparativamente à antena faz com que este seja mais eficaz que a antena a radiar energia, o que foi verificado através de simulações e medições. Como resposta a este problema, linhas de transmissão com dimensões equiparáveis às da antena foram projetadas e testadas em simulação. Um protocolo para a caracterização de antenas no interior de câmaras anecoicas foi proposto e a sua aplicabilidade demonstrada recorrendo a sistemas baseados em CPW, nomeadamente um CPW isolado e três CPWs com uma gota de água, uma antena, e uma antena e gota de água, respetivamente, nas terminações. Utilizaram-se os CPW em detrimento das linhas de transmissão pequenas dado que o processo de fabrico destas linhas é complexo e ainda não se encontrava otimizado. Recorreu-se ao HFSS por forma a validar o protocolo de caracterização de antenas que foi proposto, nomeadamente demonstrando que a rotação de um DUT em relação a uma antena emissora resulta numa variação do parâmetro S21 que se relaciona com o diagrama de radiação do DUT rodado. Os resultados das medições dos quatro sistemas baseados em CPW contribuíram para a validação do protocolo, visto que os diagramas medidos apresentaram semelhanças com os simulados. Adicionalmente, as medições realizadas permitiram a identificação de várias fontes de interferências que degradam os diagramas de radiação medidos, nomeadamente reflexões originadas pelos cabos de transmissão e pelos suportes das antenas, e pela evaporação da gota de água que é colocada na terminação de dois dos sistemas, modificando a sua forma e volume, o que se provou afetar o comportamento do sistema. Por forma a evitar isto, e ao mesmo tempo permitir que as medições sejam realizadas com a antena inserida num meio que simula o corpo humano, um fantoma com propriedades elétricas semelhantes às do corpo humano foi produzido e a sua estabilidade ao longo do tempo testada, tendo-se verificado que durante 60 minutos estas não se modificaram. Atualmente, não existem métodos validados ou instrumentos comercializados capazes de realizar a caracterização de uma antena ultrapequena, o que coloca em perspectiva a dificuldade da tarefa a que esta dissertação se propõe. No entanto, protocolos e métodos baseados em simulações e medições foram propostos ao longo desta dissertação. Adicionalmente, as limitações a eles associadas foram identificadas, como por exemplo a necessidade de usar uma estrutura de montagem da antena com dimensões também ultrapequenas. Soluções para estas limitações foram encontradas e propostas, sendo portanto este trabalho um contributo significativo no caminho para a caracterização de antenas ultrapequenas.

Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - Projeto de investigação PTDC/EEI-TEL/2881/2012

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