Terör ve Güvenlik Kaygılarının Etkisi

O principal objetivo deste trabalho foi investigar métodos para o projeto do acoplamento indutivo, considerando sua aplicação a um sistema de implante. Existe uma gama relativamente grande de tipos de implante, e, na realidade, apenas para alguns tipos será totalmente adequada a utilização do acoplamento indutivo. Um dos tipos onde é válido o emprego do acoplamento indutivo é aquele para medição de grandezas fisiológicas em pequeno animal de laboratório, ou implante telemedidor. Na pesquisa realizada nesta Tese esse foi o tipo de sistema de implante que teve maior ênfase. Na investigação adotou-se como requisito a ausência de bateria no telemedidor, ou seja, ele deveria ser alimentado e ter suas comunicações baseadas exclusi- vamente no acoplamento indutivo. Conforme revisão bibliográfica realizada, existem relati-

vamente poucos trabalhos de pesquisa relativos a métodos para o projeto do acoplamento indutivo, e aqueles identificados têm foco em implantes para seres humanos ou em sistemas RFID. Os métodos desenvolvidos para o projeto do acoplamento indutivo são tratados no Capítulo 6, mas outras partes do trabalho também apresentam aspectos relacionados a tais métodos. O Capítulo 5 e o Apêndice B trazem análises de circuito que levam a expressões matemáticas fundamentais para os métodos. O Capítulo 4 trata do modelamento dos indutores, e assim também é fundamental para os métodos. O Capítulo 7 trata principalmente do protótipo construído na Tese, mas ele também inclui uma seção com resultados que são utilizados no Capítulo 6.

Em adição, foi colocado como objetivo da pesquisa a implementação de um protótipo. Esse protótipo estabelece uma primeira aproximação para o tipo de sistema de implante com maior ênfase neste trabalho, ou seja, um sistema com telemedidor para pequeno animal de laboratório. Dada a complexidade e as questões éticas envolvidas em uma pesquisa que implique na utilização de ser vivo, essa parte de implementação teve que se restringir ao nível de prototipação, ou seja, sem ter o propósito de implantação efetiva. Como indicado acima, a implementação corresponde ao Capítulo 7.

CAPÍTULO 4

INDUTORES ACOPLADOS E SEU MODELAMENTO

Nos dois capítulos anteriores foram estabelecidas definições fundamentais quanto à pesquisa realizada nesta Tese de Doutorado. Foi definido que o tipo de sistema de implante com maior ênfase é aquele utilizado no monitoramento de grandezas fisiológicas em pequenos animais de laboratório. Além disso, foi definido que a comunicação e energização remota do implante devem ser realizadas exclusivamente por meio de acoplamento indutivo. Finalmente, foi definido que a freqüência e as técnicas de comunicação empregadas no sistema são aquelas estabelecidas na ISO 14444-B, pois um circuito integrado RFID que funciona conforme esse padrão foi o escolhido para a implementação da interface passiva.

Este capítulo inicia com a definição dos parâmetros geométricos para um indutor planar de espiral circular. A seguir discutem-se dois tipos de modelo para o indutor, sendo apresentadas fórmulas para a determinação dos parâmetros indutância própria e resistência de perdas. A seção seguinte complementa a análise iniciada na seção 2.4, ou seja, o tratamento da configuração geométrica dos elementos de interface de RF dentro da gaiola e no animal. Também nesta seção é definido o coeficiente de acoplamento mais adequado para a execução do projeto dos circuitos do acoplamento indutivo. São então apresentadas duas alternativas para a determinação da indutância mútua, a saber, a utilização de expressões analíticas e o cálculo de campos. A última seção faz a validação das expressões de modelamento apresentadas neste capítulo, bem como da alternativa de cálculo de campos. Para esse propósito são utilizadas medições realizadas com um par de indutores construídos em placas de circuito impresso.

4.1 Geometria dos Indutores de Acoplamento

Para os elementos de acoplamento a seção 2.4 já havia justificado o formato planar. A seguir são apresentadas outras escolhas com relação a tais elementos, dado que o Capítulo 3 definiu que tais elementos são indutores.

Uma questão é o número de camadas. A princípio, poderia ser adotada a utilização de indutores planares de várias camadas, na medida em que técnicas de placa de circuito impresso facilitam esse tipo de construção. Porém, o eventual benefício em termos de maior fator de acoplamento entre os indutores é muito pequeno frente a grande dificuldade para obter estimativas precisas dos valores de auto-indutância e indutância mútua. Enquanto isso, para um indutor de uma única camada essa estimativa pode ser feita com boa precisão e relativa facilidade usando-se expressões analíticas. Além disso, o indutor de múltiplas camadas tem capacitância parasita bem maior que o de uma única camada. Assim, mesmo com um número relativamente pequeno de espiras, a freqüência de auto-ressonância logo se aproxima daquela de operação do sistema, o que torna bem mais complexo o modelamento do indutor. Assim a escolha recaiu em indutores planares de uma única camada.

Com uma única camada, o modo para controlar as indutâncias própria e mútua é por meio da parametrização de uma trilha espiral, a qual pode ter diversos padrões, tais como aqueles apresentados nas Figuras 3.1.b e 3.1.e. A escolha recaiu sobre um padrão circular para a trilha espiral. Novamente essa escolha justifica-se pela maior facilidade para estimar os valores de indutância, do que no caso de padrões quadrados, retangulares, hexagonais, ou outros. O uso de qualquer uma dessas outras geometrias não traz benefício em termos de obtenção de maior coeficiente de acoplamento.

A Figura 4.1 apresenta o indutor de acoplamento planar de espiral circular e a definição de seus parâmetros geométricos. Apenas esse tipo de indutor de acoplamento será considerado no desenvolvimento relativo ao tipo de sistema de implante tratado nesta Tese.

4 - Indutores Acoplados e seu Modelamento 43