Antenner

Antenner består vanligen av metall. Därför kunde man vänta sig att det skall vara möjligt att upptäcka en antenn med röntgen.

I utgångsläget trodde jag att det var problem med att få antennerna tillräckligt små så jag räknade på suboptimala antenner. Dvs såna som inte är maximalt effektiva men i gengäld lite mindre. I samband med mitt fumlande med detta ramlade jag på en färdig analys av problemet med inplantering av transpondrar. Där stod allt som man behövde veta om radiovågors egenskaper i hud fett och muskler och hur man gör såna antenner.

Den forskningen var initierad och finansierad av försvarsinriktade institutioner utomlands på 70-talet.

Det föregivna motivet var att inplantera stora djur, t ex ungtjurar. Forskning bedrivs ofta parallellt när det handlar om försvarsinriktade saker och jag gissar att det här problemet var noga undersökt tidigare också.

(Det finns en känd äventyrsfilm där det eventuellt ges en vink om den här forskningen. Jag säger inget mer. Förmodligen var det ngn som ville göra mig uppmärksam på det förra gången jag skulle se filmen, genom att min mottagning saboterades under den delen av filmen. Jag gissar att ngn därigenom ville få mig att ta reda på vad det var som inte visades.)

- - -

Det visar sig att den biologiska materien är sådan att antennerna kan göras mkt mindre än när de befinner sig i luften.

Vattenrika substanser. Vatten har ett brytningsindex på ca 9 för radiovågor.

I frekvensområdet f=50-5000 MHz har Hud och muskler n~14-7 och fett och ben n~4-2

Antennens optimala storlek är omvänt proportionell mot brytningsindex.

Frågan om hur en inplanterad anordning bäst skall förses med antenner är komplicerad.

Det kan finnas skäl att ha flera separata antenner. Så att störningar kan undertryckas genom att välja den bästa. Här väljer jag att bara beskriva några viktiga speciella exempel.

Halvvågs dipolantenn och motsvarande loopantenn. Båda har en mottagningsförmåga med riktningsberoendet sin2t där t är vinkeln jmf med antennens axel. Dvs de kan nås från ett stort antal riktningar.

En dipolantenn är optimal om den har längden ~l/2 där l är våglängden i materialet.

En loopantenn har starkt resonanta egenskaper för diametern D1=L/p och för D3~ 2.5L/p.

Dvs storlekarna är L=c/2nf, D1~L/p, D3~ 2.5L/p. D3 och L är ju ungefär lika stora.

Men den mindre storleken har kanske [] ggr sämre effektiv absorberande area än dipolantennen. []

Den effektiva absorberande arean för den större loopantennen är ngt sämre än för dipolantennen.

[Det som gäller loop-antenner uppdateras eventuellt senare]

Om antennen används för mottagning har den effektiva absorberande arean betydelse.

För sändning vill man ha så små förluster som möjligt.

Vi antar att det ej önskas ngn högre riktverkan på sändningen än den som angavs ovan.

När det gäller inopererade transpondrar är sändareffekten sannolikt den svagaste länken i en tvåvägskommunikation.

I princip kan en antenn som är mindre än de resonanta värdena ovan fungera effektivt som sändarantenn. En sådan suboptimal antenn har en reaktans som är större ju mindre antennen görs jmf med våglängden. Därför är det svårare att anpassa antennen men det är ändå möjligt.

Om den utifrån kommande signalen är tillräckligt stark skulle en sån suboptimal antenn kunna vara tillräcklig för mottagningen och då skulle man inte tvunget behöva använda de storlekar som diskuteras ovan och som exemplifieras nedan.

 

Oisolerade antenner4

Frekvens f

Dipol 1 L=c/2nf

Loop1b diameter D1: c/2pnf

Absorp- tionsyta idealt A1

Yttrans- mission av intensitet3

T=I2/I0

Intensiteten dämpas till 37% för sträckan d, I/I2=exp(-z/d)

 

Omgivande vävnad Hud muskler etc

Fett/ben

MHz

mm

mm

cm2

 

mm

mm

1

     

,05

   

10

     

,15

   

100

140

45

94

,28

33

302

300

60

19

17

,36

20

160

750

27

8,5

3,5

 

16

115

9152

22

7,1

2,3

 

15

89

1500

14

4,5

,94

,45

12

69

24502

8.8

2,8

,37

 

8,5

56

3000

7,2

2,3

,25

,45

8

49

58002

3,9

1,2

,07

 

3,6

26

8000

   

,04

 

2,1

23

10000

   

,026

,46

1,7

17

1) Idealt blir A=3l2/8p. Emellertid blir antennens effektiva längd 2he ngt mindre än den fulla längden 2h beroende hur strömmen är fördelad. Mottagen effekt beror kvadratiskt av längden. Och den effektiva absorptionsytan Az går ned i proportion mot he/h. Exempel he/h ~ 0.43 och därför Ae ~ 0.2A

Q-värde ~4.

Det innebär att antennens kapacitet sjunker till 50% för frekvenser som avviker med 1/8 från centerfrekvensen.

1b) Jag vet inte fn med säkerhet vilken kapacitet en sådan loop har.

Idealt skulle en sån loop kunna ha samma effektiva absorptionsyta A som den jämförda dipolen.

Loopantennen har en resonans motsvarande 2pb~l/2 dvs omkretsen för loopen motsvarar hela längden 2h för en halvvågsdipol.En annan resonans motsvaras ungefär av villkoret 2pb=1,2l dvs loopens diameter ngt mindre än 2h=dipolens storlek.

Den kortaste längden har mkt större impedans än dipolen kanske 2000 W i hud.

Det innebär sannolikt att det inte går att få lika stor absorberande area.

Men för loopen har jag ännu inte tagit reda på precisa värden.

Eventuellt kommer jag att uppdatera med lite mer resonemang om antenner. I många sammanhang används flera dipoler eller loopar eller andra varianter som ger nära isotrop karaktär(dvs uppfångar strålning ung lika bra i alla riktningar och för olika polarisation.) och lämplig impedans.

Dessutom vore det i princip möjligt att ha både små rundstrålande antenner och lite större med viss riktverkan. Den med riktverkan skulle inte gå att uppnå tät kontakt med men då och då skulle det gå att uppfånga dess signaler från längre håll. Och när personen inte förflyttar sig oförutsägbart skulle det gå att etablera en förbindelse med högre kapacitet för dataöverföring.

Jag anger inte kvantitativa uppskattningar för ett sånt alternativ nu eftersom jag inte har kollat upp det tillräckligt.

I den litteratur jag tagit del av anges alltid impedansdata, men data som direkt upplyser om det faktiska värdet för den effektiva absorberande ytan för antenner anges mindre ofta.

Vad man vill veta är hur stor den arean är som funktion av antennens dimensioner och den impedans man ansluter till antennen. Jag har funderat lite över om det har ngt med sekretess att göra att information om effektiva arean inte anges klart, men det är inget jag vet. Den typen av information ger möjlighet att bedöma räckvidd.

 

2)Frekvenserna kring 915, 2450 och 5800 återkommer vi till längre ned. De är bl a avsedda för upphettningsändamål men även för licensfri användning av sk spread spectrum experiment.

3)Intensiteten beror av hur |EH| transformerar genom ytan. Transmissionen av E för sig blir mindre än den för intensiteten.

Intensiteten I0 tänkes träffa kroppen. Idealt mottar antennen på djupet z effekten

P=I0TAexp{-z/d}. Om antennen används för sändning når andelen Texp{-z/d} till omgivningen. Det förutsätts att antennen ansluts optimalt och att polarisation inte har olika inverkan vid sändning och mottagning.

4)För isolerade antenner krävs det större dimensioner. Nedan diskuteras valet av antennmaterial och huruvida antennen kan göras hållbar utan den typen av isolering.

Informationen i kolumn 6 visar att det krävs att antennen befinner sig strax under huden om man inte skall förlora för mkt effekt för de högsta frekvenserna.


När antennen används för att sända ut en signal förloras en del effekt som värme i ledningstråden. Resistansen kan delas upp i en del som motsvarar den energi som går ut som nyttig signal Rr och en del som ger värmeutveckling Rv.

Rr för en optimal dipolantenn är ca 73 W i en förlustfri omgivning och antagligen närmare 200 W i hud. För ledningar med längd L, diameter 2a >> d , är Rv =(L/2pads). d är den effektiva yttjockleken av ledaren och visas i tabellen nedan för olika material.

Frekvens f

Metallskiktets tjocklek (mm)

Resistans för a=0.4mm

 

Cu

Au

Pt

Cu

Pt

MHz

         

1

65

75

158

   

10

21

       

100

6.5

 

16

   

300

         

750

2.4

2.8

5.8

   

915

         

1500

1.7

 

4

.056

.14

2450

         

3000

         

5800

.86

 

2.1

   

8000

         

10000

.65

.75

1.6

   

Som synes av tabellen rör det sig om några tusendels mm tjocklek. Om man vill göra antennen svår att upptäcka med röntgen finns det ingen anledning att göra den inre delen av den cylindriska tråden metallisk. Det räcker med ett tunt lager metall nära ytterradien.

Ett exempel för resistansen ges i tabellen som visar att det inte tycks vara ngt större problem för små antenner. De små tjocklekarna som förekommer ovan gör det naturligt att använda tunna filmer i stället för trådar. Det förekommer inom mikrovågsteknologi att man använder sk strip-antenner som är uppbyggda på det viset. Jämfört med cylindriska former ligger en sådan film enkelt vikt. Om det är samma tjocklek blir det ju i så fall dubbelt så mkt metall i genomsikt för en röntgenundersökning med den cylindriska formen.

Vad beträffar röntgenundersökningar så verkar det finnas rätt goda möjligheter att försvåra upptäckt genom att utnyttja kroppens naturliga gömställen. Ryggraden innehåller många sprickor och kantlinjer som avtecknar sig på en röntgenbild.

En kvantitativ uppskattning av en röntgenundersökning har placerats i appendix nedan eftersom det preliminära resultatet stärker uppfattningen att det går att dimensionera antenner så att det inte går att se i en normal röntgenundersökning. För att göra det svårare att se i Röntgen kan man t ex göra antennen av en stomme med ett kopparskikt som leder ström och eventuellt ett minimalt skikt ytterst av Pt om det av ngn anledning är önskvärt för den kemiska beständigheten.

Jag upprepar att jag har fn inte satt mig in i om det överhuvudtaget är ngn vits med ädelmetall.

 

I samband med att man gömmer en sån antenn en bit in i kroppen måste man se till att den är omgiven av den sortens substans som ger antennen önskade egenskaper. Man skulle kunna tänka sig att man inte förlitar sig på kroppens egen materia utan tätar med ngn sorts fogmassa/cement som liknar den naturliga men som stabiliserar förhållandena. Annars skulle man kunna tänka sig att en person som rör på sig skulle ge upphov till mer störningar i funktionen. I vanligt ben eller i fett skulle antennens storlek behöva vara ung 3-4 ggr större än de dimensioner som är framräknade ovan.

Antenner med isolerande inkapsling anges i den litteratur jag tagit del av behöva ha större dimensioner. Det beror ju på inkapslingens dielektriska egenskaper. Man skulle kunna tänka sig att använda andra typer av inkapsling som gör att man inte behöver använda större dimensioner.

Jag föreställer mig att små antenner konstruerade av kemiskt motståndskraftiga material inte skulle behöva kapslas in. Jag har därför återgivit data för ädelmetallen platina ovan. Enligt vad jag förstår kan en naken metallyta vara mkt farlig om den innehåller farliga bakterier. Jag vet inte om det är ngt problem. Men det går säkert att kapsla in materialet i ngt lämpligt hölje.

I en del arbeten om biotelemetri hävdas det att människokroppen själv kan fås att fungera som en rundstrålande antenn för frekvensområdet kring 100 MHz (50-150).


Energikällor

Antenner

Radiokommunikationer

Övrigt

Appendix



Tillbaka till Introduktion