menggunakan hfss 13

Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 17, No. 1, Agustus 2019, Hlm. 15 - 29, P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X, doi: http://dx.doi.org/10.25105/jetri.v17i1.4451

Received 14 Mei 2019, revised 11 Juni 2019, accepted 24 Juni 2019

Antena Medical Implantable Communication System

Menggunakan HFSS 13.0

Muhammad Yaser dan Untung Priyanto

Teknik Elektro, Universitas Pancasila, Jakarta, Indonesia

Jalan Srengseng Sawah, Jagakarsa, Jakarta 12640, Indonesia

E-mail: [email protected],

[email protected]

ABSTRACT The medical implantable communications system (MICS) is one of the emerging technologies in the health sector where the implant device, in this case the antenna, is inserted into the human body between the skin layer and the fat. One application is for monitoring patient conditions such as heart rate and blood pressure. Microstrip antennas in the MICS application work in 402-406 MHz frequency range. In this paper, design and simulation of implant antenna is presented. The implant antenna is simulated using High Frequency Simulator Software (HFSS) using miniaturization, biocompatibility and biomaterial techniques. The antenna will be implanted in the upper arm model. The antenna specifications are as follows: the physical size of the antenna is 32 × 40 × 4 mm with a working frequency of 403.03 MHz which corresponds to the MICS frequency standard of 402-405 MHz. The VSWR simulation result is 1.2, which has met the standard VSWR value ≤ 2 on the rectangular antenna, which is generally considered as good. The gain is -27 dBi, which is considered good according to the standard (-31.5 dBi) and the SAR is 12.7 W/kg per 1g. Keywords: MICS application, implanted antenna, miniaturization, microstrip antenna

ABSTRAK

Medical implantable communications system (MICS) adalah salah satu teknologi yang sedang berkembang dalam bidang kesehatan. Dengan teknologi ini perangkat implan, dalam hal ini antena, dimasukkan ke dalam tubuh manusia di antara lapisan kulit dan lemak. Salah satu aplikasinya yaitu untuk memonitor kondisi pasien seperti detak jantung dan tekanan darah. Antena mikrostrip pada aplikasi MICS bekerja pada rentang frekuensi 402-406 MHz. Antena implan yang dirancang disimulasikan dengan menggunakan High Frequency Simulator Software (HFSS) dengan menggunakan teknik miniaturisasi, biokompatibilitas, dan biomaterial. Antena akan ditanamkan pada model lengan bagian atas. Dari hasil simulasi didapat spesifikasi antena sebagai berikut: ukuran fisik antena sebesar 32 × 40 × 4 mm dengan frekuensi kerja 403,03 MHz yang sesuai dengan standard frekuensi MICS sebesar 402-405 Mhz. Hasil simulasi VSWR sebesar 1,2 sudah memenuhi standar nilai VSWR ≤ 2 yang

Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 17, No. 1, Agustus 2019, P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X

16

dianggap baik pada antena rectangular. Gain sebesar -27 dBi, yang telah memenuhi standar sebesar -31,5 dBi dan SAR sebesar 12,7 W/kg per 1g. Kata kunci: aplikasi MICS, antena implan, miniaturisasi, antena mikrostrip

1. Pendahuluan

Seiring dengan perkembangan teknologi telekomunikasi dari era 3G hingga 4G

LTE seperti saat ini kebutuhan akan perangkat komunikasi yang dapat ditanamkan ke

dalam tubuh manusia untuk keperluan aplikasi medis berkembang dengan cepat dan

menjadi kebutuhan akhir-akhir ini [1]. Aplikasi penting yang membutuhkan perangkat

telekomunikasi seperti terapi, monitoring, dan diagnosis dengan pengiriman data

antara alat yang ditanamkan dalam tubuh dengan sebuah base station yang bertugas

menganalisis data. Implantable Medical Devices (IMDs) saat ini digunakan untuk

melakukan diagnosis, monitoring, dan fungsi terapi [2]-[4]. Sistem wireless implan

dapat menjanjikan perbaikan besar dalam perawatan pasien dan kualitas hidup [5].

Komunikasi yang umumnya dipakai yaitu Medical Implantable Communication

System (MICS) yang memiliki frekuensi 402 – 406 MHz [6]. Tulisan ini membahas

tentang simulasi model antena implan pada frekuensi Medical Implant Communication

System (MICS) untuk aplikasi monitoring kondisi kesehatan pasien.

2. Kajian Pustaka

2.1 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip sebagai salah satu antena gelombang mikro yang digunakan

sebagai peradiasi pada sejumlah sistem telekomunikasi modern karena memiliki

bentuk yang sederhana, kecil, ringan, efisien, ekonomis, serta cenderung lebih mudah

dalam pembuatan. Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas tiga bagian, yaitu

patch, substrate, dan ground plane [7].

Antena mikrostrip terdiri dari berbagai macam bentuk salah satunya adalah

rectangular patch, seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Untuk menghitung nilai W

dan L dapat digunakan Persamaan (1) dan (2) [8].

M. Yaser dan U. Priyanto. “Antena Medical Implantable Communication System …”

17

22 1r

cWf ε

=+

(1)

L = Leff-2ΔL (2)

ΔL dihitung dengan

( )

( )

0,3 0,2640,412

0,258 0,8

reff

reff

wL h

whh

ε

ε

⎛ ⎞+ +⎜ ⎟Δ ⎝ ⎠=

⎛ ⎞− +⎜ ⎟

⎝ ⎠

(3)

dan εreff [2] 121 1 1 12

2 2r r

reffhw

ε εε

−+ − ⎛ ⎞

= + +⎜ ⎟⎝ ⎠

(4)

dengan εreff adalah konstanta dielektrik efektif (F/mm), εr adalah konstanta dielektrik

bahan (F/mm), h adalah tinggi bahan substrate (mm), W adalah lebar elemen radiasi

(mm), dan L adalah panjang elemen radiasi (mm).

Gambar 1 Mikrostrip Rectangular Patch [7]

2.2 Implantable Medical Devices (IMDs)

Implantable Medical Devices (IMDs) menggunakan komunikasi wireless

untuk melaporkan fungsi sistem dan status pasien [6]. Sistem wireless implan dapat

mempengaruhi metode pemantauan jarak jauh perawatan pasien. Seperti diperlihatkan

pada Gambar 2, pemantauan detak jantung, dan atau glukosa adalah beberapa contoh

penggunaan dari pemantau wireless ini. Salah satu teknologi yang memanfaatkan

perangkat wireless implan medis ini adalah pacemaker yang merupakan perangkat


18

implan yang ditanam di dalam tubuh dengan tujuan merangsang otot-otot jantung

melalui pulsa listrik untuk memastikan kelancaran fungsi jantung [9] yang

diperlihatkan pada Gambar 3.

Gambar 2 Implementasi WIMD [5]

Gambar 3 Pacemaker [9]

2.3 Medical Implantable Communication System (MICS)

Alokasi frekuensi global yang digunakan pada implan alat kesehatan menurut

Federal Communications Commision (FCC) adalah sebesar 402-406 MHz atas

rekomendasi International Telecommunication Union-Radio (ITU-R) SA1346 tahun

1998 [10]. Namun pita frekuensi MICS juga digunakan (shared) pada Meteorological

Aids Service (METAIDS), oleh sebab itu frekuensi MICS hanya digunakan di dalam

ruangan.


19

3. Metode Penelitian

Dalam melakukan desain antena implan ada beberapa aspek yang harus

diperhitungkan antara lain bentuk fisik dan biokompatibel bahan material karena

posisi antena berada dalam jaringan tubuh manusia. Diagram alir pemodelan antena

implan diperlihatkan pada Gambar 4. Simulasi antena menggunakan High Frequency

Simulator Software (HFSS) 13.0.

Mulai

Menentukan dimensi patch antena mikrostrip patch segiempat

Memodelkan rancangan antena patch segiempat

konvensional

Modifikasi antena: - Miniaturisasi - Biokompatibel - Biomaterial

Memodelkan human tissues

Simulasi dengan Ansoft HFSS 13:

- Validasi - Analisis

Apakah parameter antena sudah sesuai dengan yang dimodelkan?

Fr : 403 MhzΓ : -15 hingga -30 dB

Detuning:- Mengatur boundaries atau mesh operation- Hitung atau ubah nilai dimensi antena

Tidak

Selesai

Ya

Gambar 4 Diagram Alir Pemodelan Antena


20

3.1 Miniaturisasi

Dengan adanya teknik miniaturisasi, teori setengah panjang gelombang (2λ)

pada antena rectangular menjadi tidak berlaku. Desain patch menggunakan teknik

miniaturisasi dengan tujuan untuk mengurangi ukuran antena namun tetap

mempertahankan kinerja elektromagnetik [4]. Beberapa teknik miniaturisasi antena

diuraikan di bawah ini.

a. Penggunaan material dengan permitivitas dielektrik tinggi.

Teknik sederhana yaitu dengan mengubah nilai konstanta dielektrik material.

Beberapa material dengan konstanta dielektrik tinggi seperti ceramic alumina dengan

εr = 9,4 atau Rogers 3210 dengan εr = 10,2. Dengan demikian bahan dengan konstanta

dielektrik tinggi dan lapisan dielektrik yang tipis digunakan dalam teknik ini.

b. Modifikasi Bentuk Dasar Antena

Pada Gambar 5 diperlihatkan modifikasi geometri antena agar dapat diperoleh

pengurangan ukuran antena yang signifikan. Berbagai bentuk seperti spiral,

meandered, waffle dapat digunakan agar efektivitas jalur arus patch dapat mengurangi

frekuensi resonansi sehingga mencapai ukuran yang kompak.

Gambar 5 Modifikasi Geometri Antena

3.2 Biokompatibel dan Biomaterial

Penggunaan material dalam jaringan tubuh manusia harus memperhitungkan

jaringan tubuh manusia yang bersifat konduktif dan dapat menyebabkan hubungan

pendek jika terjadi kontak langsung dengan metal (patch). Hal tersebut harus dicegah


21

jika antena akan digunakan untuk jangka panjang. Pendekatan sederhana adalah

menutupi struktur dengan lapisan dielektrik atau superstrate untuk memisahkan

radiator (patch) dari human body.

3.3 Human Tissues Model

Pemodelan jaringan tubuh manusia menggunakan bentuk kotak menurut

referensi penelitian dan memudahkan dalam analisis. Antena ditanamkan pada lengan

atas yang terdiri atas 3 layer yaitu kulit, lemak, dan otot yang diperlihatkan pada

Gambar 6. Data dielektrik biologi tissues pada frekuensi 403 MHz menurut The

Foundation For Research On Information Technologies In Society (IT’IS)

diperlihatkan pada Tabel 1.

Gambar 6 Desain 3 Layer Human Tissues

Tabel 1 Data Elektrik Biologis Tissues

Biological Tissues Permitivity Conductivity (S/m)

Mass Density (kg/m3)

Fat (Lemak) 11,6 0,08 911 Skin (Kulit) 46,7 0,69 1109

Muscle (Otot) 57,1 0,79 1090

3.4 Hasil Simulasi Antena Implan

Bentuk antena implan yang diperoleh dari hasil simulasi diperlihatkan pada

Gambar 7, sedangkan dimensi antena diperlihatkan pada Tabel 2.


22

Gambar 7 Hasil Simulasi Antena

Tabel 2 Dimensi Antena Implan

Nama Elemen Panjang (mm) Lebar (mm) Tinggi/Tebal (mm) Substrat 32 40 4

L1 24 4 0 L2 32 4 0 L3 24 4 0 L4 24 4 0 L5 15 4 0 W1 0 4 0

Nilai return loss antena paling rendah pada frekuensi 403 MHz yaitu sebesar

20,7 dB dan bandwidth sebesar 17 MHz seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8.

Dari perolehan nilai return loss maka dapat dihitung efisiensi bandwidth (BW) antena

simulasi yaitu:

0 00 0

411 394 100 4,22402,5

BW x−= =

Gambar 8 Return Loss Antena Implan

300.00 325.00 350.00 375.00 400.00 425.00 450.00 475.00 500.00Freq [MHz]

-22.50

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

modifikasi antennaXY Plot 1 ANSOFT

F1F2

MICS

Curve InfodB(S(1,1))

Setup1 : Sw eep1

Name X YF1 394.9495 -8.7138F2 411.1111 -8.0337

MICS 403.0303 -20.7052


23

Nilai Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) yang diperoleh dari simulasi

ditunjukkan pada Gambar 9. Nilai VSWR antena pada frekuensi 403,03 MHz sebesar

1,2 dianggap baik karena VSWR ≤ 2.

Gambar 9 Nilai VSWR Antena

Hasil simulasi menunjukkan bahwa gain pada antena tertinggi sebesar -34,36

dBi pada posisi 180 derajat yang diperlihatkan pada Gambar 10. Pada Gambar 11

diperlihatkan hasil simulasi gain antena dalam bentuk polar tiga dimensi.

Gambar 10 Pola Radiasi Gain Antena

Gambar 11 Hasil Simulasi 3D Polar

300.00 325.00 350.00 375.00 400.00 425.00 450.00 475.00 500.00Freq [MHz]

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

VS

WR

(1)


VSWR

Curve InfoVSWR(1)

Setup1 : Sw eep1

Name X YVSWR 403.0303 1.2031


24

Pada perancangan antena, hal yang sangat vital dan perlu diperhatikan adalah

radiasi, karena radiasi dapat mengganggu atau berbahaya bagi jaringan tubuh manusia.

Hasil simulasi medan listrik antena diperlihatkan pada Gambar 12 dengan nilai electric

field antena adalah 143 V/m. Specific Absorption Rate (SAR) dapat dihitung Dengan

Persamaan (5) dan diperoleh SAR sebesar 12,7 W/Kg per 1g. Hasil simulasi SAR

Field diperlihatkan dalam Gambar 13.

( )( ) ( )

( )

2

0

r E rSAR r dr

rσ

ρ= ∫

(5)

Gambar 12 Hasil Simulasi Medan Listrik Antena

Gambar 13 Hasil Simulasi SAR Field

4. Hasil dan Pembahasan

Untuk memperoleh spesifikasi antena yang diinginkan, dibutuhkan percobaan

berulang-ulang (iteratif) dalam hal dimensi antena, material (dengan konstanta

dielektrik untuk substrate dan superstrate), dan letak kedalaman implan yang

diuraikan di bawah ini.


25

a. Iterasi boundaries terhadap panjang patch tail L5. Dilakukan simulasi untuk

mengubah ukuran panjang ekor (tail) pada shape L5, pada kondisi ukuran

boundaries lainnya tetap. Perubahan dimensi tail L5 dan hasil simulasinya

diperlihatkan pada Tabel 3. Hasil simulasi perubahan dimensi tail L5 juga

diperlihatkan pada Gambar 14 yang menunjukkan bahwa pengurangan radius

patch tail L5 dapat menghasilkan frekuensi yang semakin besar.

Tabel 3 Hasil Simulasi Perubahan Dimensi Patch

Ukuran Tail L5 (mm) Frekuensi (MHz) Return Loss (dB) VSWR 10 423,2 -24 1,12 11 417,17 -27 1,08 12 413,13 -25 1,10 13 411,11 -23 1,14 14 407,07 -22 1,16 15 403,0 -20 1,2

Gambar 14 Grafik Perubahan Dimensi Patch

b. Iterasi boundaries terhadap kombinasi material substrate dan superstrate yang

memiliki konstanta dielektrik (εr) berbeda, kombinasi material diperlihatkan pada

Tabel 4 dan Gambar 15. Hasil simulasi menunjukkan bahwa konstanta dielektrik

300.00 325.00 350.00 375.00 400.00 425.00 450.00 475.00 500.00Freq [MHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Y1


L5 10mm

L5 11mm

L5 12mm

L5 13mmL5 14mm

L5 15mm

Curve InfodB(S(1,1))_1

ImporteddB(S(1,1))_2



ImporteddB(S(1,1))


Imported

Name X YL5 10mm 423.2323 -24.5871L5 11mm 417.1717 -27.5959L5 12mm 413.1313 -25.7870L5 13mm 411.1111 -23.4576L5 14mm 407.0707 -22.3919L5 15mm 403.0303 -20.7052


26

yang rendah dapat menyebabkan frekuensi meningkat dan efisiensi menjadi lebih

tinggi.

Tabel 4 Hasil Simulasi Perubahan Material

Material Substrate-Superstrate Frekuensi (MHz) Return Loss (dB) Roger RT6010 (10,2) – Teflon (2,1) 403,0 -20

Roger RT6010 (10,2) – FR4Epoxy (2,1) 475,7 -8 Roger RT6010 (10,2) – Roger RT6010 (10,2) 445,4 -4

Gambar 15 Hasil Simulasi Penggunaan Material yang Berbeda

c. Iterasi boundaries terhadap letak kedalaman implan, hasil simulasi ditunjukkan

dalam Gambar 16. Hasil simulasi menunjukkan bahwa posisi letak kedalaman

antena implan dapat mempengaruhi frekuensi antena dan return loss antena.

Gambar 16 Hasil Simulasi Letak Kedalaman Implan

300.00 325.00 350.00 375.00 400.00 425.00 450.00 475.00 500.00Freq [MHz]

-22.50

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

Y1


Both RogerRT

RogerRTw ithTeflon

RogerRTw ithFR4Epoxy


Setup1 : Sw eep1dB(S(1,1))_1


Imported

Name X YBoth RogerRT 403.0303 -20.7052

RogerRTw ithTeflon 445.4545 -8.7486RogerRTw ithFR4Epoxy 475.7576 -4.3598

300.00 325.00 350.00 375.00 400.00 425.00 450.00 475.00 500.00Freq [MHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Y1


posisi 0

posisi 1posisi 2

posisi 3


Setup1 : Sw eep1dB(S(1,1))_1



Imported

Name X Yposisi 0 403.0303 -20.7052posisi 1 396.9697 -28.2088posisi 2 386.8687 -28.1227posisi 3 405.0505 -17.2149


27

Perbandingan hasil simulasi antena implan dengan Standar Regulasi

International Telecommunication Union (ITU) pada pita frekuensi MICS

diperlihatkan pada Tabel 5.

Tabel 5 Perbandingan Hasil Simulasi Antena Implan dengan Standar ITU

Paramater Antena Nilai

Standar ITU Simulasi Frekuensi Kerja (MHz) 402-405 403

Return Loss (dB) -15 hingga -30 -20,7 VSWR ≤ 2 1,2

Gain (dBi) -31,5 -27,4 Bandwidth (MHz) 0,3 17

SAR (W/kg) 1,6 per 1 g 12,7

Dari hasil simulasi pada Tabel 5 dapat diketahui bahwa antena implan yang

dirancang telah mampu mendekati standar parameter ITU untuk antena pada

implantasi medis. Antena memiliki frekuensi 403 MHz yang berada pada frekuensi

MICS dan nilai return loss sebesar -20,7 dB telah memenuhi standar yang berada pada

rentang -15 hingga -30 dB. Nilai tersebut telah optimal karena jaringan tubuh bukanlah

medium yang ideal atau baik untuk gelombang pada frekuensi radio.

Selanjutnya nilai VSWR yang paling baik adalah ketika VSWR tersebut

bernilai 1 (VSWR=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan

matching sempurna, namun kondisi ini masih sulit untuk didapatkan. Pada umumnya

nilai VSWR yang masih dianggap baik adalah ≤ 2. Nilai VSWR yang didapatkan pada

simulasi ini sebesar 1,2 sudah memenuhi standar dan nilai VSWR dipengaruhi oleh

dimensi patch dan saluran pencatu.

Nilai gain yang didapatkan pada saat simulasi adalah sebesar -27,4 dBi

sedangkan standar ITU menetapkan gain sebesar -31,5 dBi, dalam hal ini terdapat

selisih 4,1 dBi dari standar. Hal tersebut dapat disebabkan karena simulasi tidak

memperhitungkan tingkat temperatur kondisi tubuh karena memang kondisi

lingkungan sekitar antena terutama lapisan jaringan dapat mempengaruhi kinerja

antena.


28

Nilai SAR yang didapatkan pada saat simulasi sebesar 12,7 W/kg, sedangkan

standar SAR untuk implantasi medis adalah sebesar 1,6 W/kg per 1 g dan 2 W/kg per

10 g [7]. Hasil simulasi tersebut lebih besar daripada standar regulasi yang ditetapkan

American National Standards Institute (ANSI), sehingga ada kemungkinan dapat

mengganggu jaringan tubuh.

5. Kesimpulan

Artikel ini membahas perancangan dan simulasi antena MICS menggunakan

HFSS 13.0 dengan teknik miniaturisasi, biokompatibilitas, dan biomaterial. Dari hasil

simulasi didapat spesifikasi antena sebagai berikut: ukuran fisik antena sebesar 32 ×

40 × 4 mm dengan frekuensi kerja 403,03 MHz yang sesuai dengan standar frekuensi

MICS sebesar 402-405 Mhz. Antena memiliki VSWR sebesar 1,2, yang sudah

memenuhi standar VSWR ≤ 2 atau dianggap baik pada antena rectangular; gain

sebesar -27 dBi yang telah memenuhi standar -31,5 dBi, meskipun demikian SAR

sebesar 12,7 W/kg per 1g belum memenuhi standar 1,6 W/kg per 1 g.

Daftar Pustaka

[1] M. Yaser, “Impact of Macrocell Size on the Implementation of LTE Femto

Integrated with GSM Network,” Jurnal Ilmiah Setrum, vol 5, No 2, 2016.

[2] P. Blanos, “Miniaturization of Implantable Antennas for Medical Applications,”

Tesis Master. European Postgraduate Programme on Biomedical Engineering,

Athens, Yunani, 2013.

[3] F. Merli, ”Implanted Antenna for Biomedical Applications,” Tesis Doktor. Ecole

Polytechnique Federale de Lausanne, Perancis, 2011.

[4] J. Kim, Y.R.-Samii, “Implanted Antennas Inside a Human Body: Simulations,

Designs, and Characterizations,” IEEE Transactions On Microwave Theory And

Techniques, 52 (8), 1934-1943, 2004.

[5] A. J. Johansson, “Wireless Communication with Medical Implants: Antennas and

Propagation,” Tesis Doktor, Lund University, Swedia, 2004.


29

[6] R. Brinda, S.S, Preethy, “Miniaturized Antenna with Combination of Meander

and Square Spiral Slot for Biomedical Applications,” International Journal of

Computer Applications, 85 (4), 21-24, 2014.

[7] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Ed. Hoboken, New

Jersey: Wiley Interscience, 2005.

[8] M. Nalam, N. Rani, A. Mohan, “Biomedical Application of Microstrip Patch

Antenna,” International Journal of Innovative Science and Modern Engineering

(IJISME), 2 (6), 6-8, 2014.

[9] P. Soontornpipit, “An Implantable BioTelemetry Review: Technology for a

Cardiac Pacemaker Device,” Asia Journal of Public Health, 3 (3), 111-120, 2012.

[10] A. Kiourti, J.R. Costa, C.A. Fernandes, A.G. Santiago, K.S. Nikita, “Miniature

Implantable Antennas for Biomedical Telemetry: From Simulation to

Realization,” IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 59 (11), 3140-3147,

2012.


30

Halaman ini sengaja dikosongkan

menggunakan hfss 13

Documents