Ultrabreitbandige Antennen für Kommunikation und Sensorik in der Medizintechnik (PDF)

Diese Arbeit behandelt ultrabreitbandige Antennen für impulsbasierte Systeme und deren Anwendung in der Medizintechnik. Potentielle Einsatzgebiete im medizinischen Umfeld erstrecken sich dabei von der Kommunikationstechnik bis zur Sensorik, weshalb sowohl Antennen mit omnidirektionalem Strahlungsverhalten
als auch mit hoher Richtwirkung betrachtet werden.

Als allgemeines Konzept zur Entwicklung der Antennen werden bekannte Strukturen mit breitbandigem Verhalten kombiniert und damit neuartige UWB-Antennen mit besseren Eigenschaften im Vergleich zu den Basisstrukturen geschaffen. Als genereller Grundsatz wird dabei eine symmetrische Speisung der Antennen zur Unterdrückung von parasitären Effekten durch Mantelwellen und planare Strukturen für eine einfache Herstellbarkeit verknüpft mit geringen Fertigungskosten verfolgt.

Aus einem Dipolelement zusammen mit einer kreisförmigen Schlitzantenne lässt sich eine Antenne mit guter Impedanzanpassung und äusserst gleichmässigem Strahlungsverhalten im FCC-Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz realisieren. Diese Antenne weist eine geringe Dispersion auf, was bei impulsbasierten Systemen zu einer geringen Impulsverbreiterung führt. Durch den Einsatz von zwei Dipolelementen, die orthogonal zueinander im kreisförmigen Schlitzstrahler angeordnet sind, kann die dipolgespeiste Schlitzantenne auf eine dual polarisierte Variante mit einer besseren Omnidirektionalität erweitert werden. Eine Antenne dagegen mit hoher Richtwirkung wird durch die Kombination der dipolgespeisten Schlitzantenne mit einem dielektrischen Stabstrahler erzielt. Dabei wird das inhärent breitbandige Verhalten des Stabstrahlers ausgenutzt und die planare Antenne zur effektiven Speisung eingesetzt. Diese Antenne besticht im Vergleich zu UWB-Richtantennen aus der Literatur durch ihre Kompaktheit und die einfache Herstellbarkeit bei gleichzeitig hohem Antennengewinn.

Ein flaches Antennenprofil auf Kosten einer geringeren Richtwirkung und Bandbreite bietet die vorgestellte differentiell gespeiste gestapelte Patchantenne. Alternativ dazu kann eine Anordnung aus mehreren flachen planaren UWB-Antennen mit geringer Richtwirkung als Einzelelement verwendet werden, um insgesamt eine hohe Strahlbündelung zu erhalten. Dies wird durch die Untersuchung einer Gruppenantenne aus vier dipolgespeisten Schlitzantennen aufzeigt. Die Charakterisierung der Gruppenantenne im Zeitbereich bestätigt dabei, dass im Impulsbetrieb ein grosser Antennenabstand in Relation zur Wellenlänge im Zeitbereich zu kleinen Nebenmaxima im Gegensatz zum Frequenzbereich führt. Ausserdem wird ein neues Systemkonzept praktisch evaluiert, mit dem mit einer Gruppenantenne aus aktiven Einzelelementen eine Strahlschwenkung möglich ist. Ein aktives Element setzt sich dabei aus einem Impulsgenerator und der Vivaldi-Antenne zusammen. Die Strahlschwenkung wird durch eine einfache Phasenverschiebung des niederfrequenten Taktsignals des Impulsgenerators anstelle einer aufwändigeren Zeitverzögerung durch ein Laufzeitglied nach dem Impulsgenerator erzielt.

Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet der impulsbasierten UWB-Funktechnologie ist aufgrund des geringen Leistungsverbrauchs und der hohen Datenraten die Kommunikation mit Implantaten. Zu diesem Zweck wird erstmalig eine miniaturisierte, gewebeoptimierte UWB-Antenne entwickelt und in einer Gewebeersatzflüssigkeit in realitätsnahem Umfeld bezüglich Impedanz- und Strahlungsverhalten charakterisiert. Aufgrund der geringen Abmessungen mit einer Breite und Höhe von jeweils 11 mm bei einer Dicke von 1 mm ist diese mit einer symmetrischen Streifenleitung gespeiste Schlitzantenne ein geeigneter Kandidat für zukünftige medizinische Implantate mit UWB-Funktechnologie, wie anhand einer unidirektionalen Datenübertragung mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s in einer Gewebeersatzflüssigkeit mit Hilfe eines modular aufgebauten
Energiedetektors demonstriert wird.

Abschliessend werden mit einem realisierten UWB-Radarsystem basierend auf einem Korrelationsempfänger mögliche Einsatzfelder in der medizinischen Sensorik untersucht, wobei die Messung der Vitalfunktionen und die Bestimmung von Organbewegungen im Vordergrund stehen. Dazu werden verschiedene Operationsweisen des Radars eingesetzt und ein spezielles Kalibrierungsverfahren zur Verbesserung der Trennung von Zielen präsentiert. Unter speziellen Laborbedingungen können Atmung und Herzschlag direkt durch die Beobachtung der Reflexion am Brustbereich bestimmt werden. Die Information des Herzschlags ist dabei allerdings sehr fehlerbehaftet, weshalb eine kontinuierliche Erfassung des Entfernungsprofils erfolgversprechender ist. In diesem Operationsmodus können mit dem Radarsystem jedoch nur langsam veränderliche Bewegungen detektiert werden, weshalb lediglich die Atmung einer Person bei kontinuierlicher Datenerfassung beobachtet werden kann. Für die Detektion des Herzschlags und von Organbewegung sind daher Optimierungen des Radars bezüglich der Hardware zur Verbesserung des SNR-Werts und bezüglich der Signalverarbeitung zur besseren Separation von Signalen mit geringer Amplitude erforderlich.