I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   3 6 ,   No .   2 ,  N o v em b e r   20 24 ,   p p .   7 6 0 ~ 7 7 6   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 3 6 . i 2 . pp 760 - 7 7 6           760     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   Ultra - minia t urize d dua l - ba nd i mpl a ntable a ntenna  f o r   retinal pro st hesis       Abdelm o utt a lib   B o us ro ut 1 ,   Asm a   K ha bb a 2 ,   Sa ida   I bn y a ich 2 ,   T o m a der  M a zr i 1 ,   M o ha m ed  H a bib i 3 ,    T o le  Su t ik no 4   1 La b o r a t o r y   o f   A d v a n c e d   S y st e ms E n g i n e e r i n g ,   N a t i o n a l   S c h o o l   o f   A p p l i e d   S c i e n c e s,   I b n   T o f a i l   U n i v e r si t y ,   K e n i t r a ,   M o r o c c o   2 I n st r u me n t a t i o n ,   S i g n a l s   a n d   P h y s i c a l   S y s t e m s (I 2 S P )   Te a m ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e s   S E M LA LI A ,   C a d i   A y y a d   U n i v e r si t y ,     M a r r a k e s h ,   M o r o c c o   3 La b o r a t o r y   o f   E l e c t r o n i c   S y s t e ms ,   I n f o r mat i o n   P r o c e ssi n g ,   M e c h a n i c s   a n d   En e r g e t i c s,  F a c u l t y   o f   S c i e n c e ,   I b n   T o f a i l   U n i v e r s i t y ,   K e n i t r a ,   M o r o c c o   4 M a s t e r   P r o g r a m   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   I n d u st r i a l   Te c h n o l o g y ,   U n i v e r s i t a s A h ma d   D a h l a n ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Mar   17 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   5 ,  2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   26 ,   2 0 2 4       Th is  a rti c le   p re se n ts  two   m in iatu rize d   a n ten n a s   d e sig n e d   fo r  re ti n a l   p ro sth e sis   d e v ice s,  a ime d   a t   e n h a n c in g   v isio n   fo r   b l in d   i n d iv i d u a ls  wi th   fu n c ti o n a l  o p t ic  n e rv e s.  Th e   imp l a n tab le  a n ten n a   is  2 . 2   m m   wid e ,   2 . 1 5   m m   tall,   a n d   0 . 7 8   m m   t h ick .   I t  wo r k s  in   th e   I S M   b a n d s  b u t   is  sm a ll   b e c a u se   it   u se s  slo t  in c o rp o ra ti o n   a n d   h i g h - p e rm it ti v it y   su b stra tes .   Hig h - f re q u e n c y   stru c tu re   sim u lato r  ( HFS S )   e lec tro m a g n e ti c   sim u latio n s  sh o w  g re a t  p e rfo rm a n c e ,   with   a   1 6 . 6 6 %   imp e d a n c e   b a n d wi d th   a t  2 . 4   G Hz   a n d   a   1 0 . 3 4 %   b a n d wi d th   a t  5 . 8   G Hz .   Th e   p e a k   g a in   v a l u e s  a re   - 2 7 . 7 6   d B   a t  2 . 4   G Hz   a n d     - 1 6 . 4 0   d B  a t  5 . 8   G Hz .   We  h a v e   a lso   d e v e lo p e d   a n   e x trao c u lar  a n ten n a   f o r  tele m e try   a n d   e n e rg y   tran sfe r,   with   d ime n sio n s  o f  3 6 × 36 × 1 . 6   m m 3 .  Va li d a ti o n   t h ro u g h   C S T  c a lcu lat io n   so ftwa re   c o n firms   t h e   e ffica c y   o f   b o t h   a n ten n a   d e sig n s.  Im p lan tab le   a n ten n a s  h o ld   si g n ifi c a n t  p ro m ise   in   b io m e d ica l  a n ten n a   re se a rc h ,   d e m o n stra ti n g   c a p a b il i ti e s  c o n d u c iv e   to   re ti n a l   imp lan tatio n   a n d   o f fe rin g   p o te n ti a l  a d v a n c e m e n ts  i n   v isi o n   r e sto ra ti o n   tec h n o l o g y .   K ey w o r d s :   Du al - b an d   I m p lan tab le  an te n n a   R etin al  p r o s th esis   Sp ec if ic  ab s o r p tio n   r ate   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Asma   Kh ab b a   I n s tr u m en tatio n ,   Sig n als an d   P h y s ical  Sy s tem s   ( I 2 SP )   T ea m ,   Facu lty   o f   Scien ce s   SEM L AL I A   C ad i A y y ad   Un iv er s ity   Ma r r ak esh ,   Mo r o cc o   E m ail:  k h ab b a. asm a@ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   I n teg r ated   m e d ical  d ev ices  ( I MD s )   h av e  en h an ce d   p e o p le' s   q u ality   o f   life ,   r eg ar d less   o f   th eir   h ea lth   s t a t u s .   I M D s   h a v e   t h e   a b i l i t y   t o   m o n i t o r   p a t i e n t s '   v i t a l   s i g n a l s   a n d   n o t i f y   d o c t o r s   o f   t h e i r   c r i t i c a l   c o n d i t i o n s   [ 1 ] .     T o   en s u r e  p atien t  co m f o r t  an d   m ax im ize  b en ef its ,   th ese  d ev ices  n ee d   to   co m m u n ic ate  wir eless ly   with   o u td o o r   eq u i p m en t.  T o   o v er c o m e  th e  lim itatio n s   o f   in d u ct iv e  b io telem etr y ,   s u ch   as  lo w  in f o r m atio n   r ate,   lim ited   r an g e,   an d   s en s itiv ity ,   m an y   r esear ch er s   h av e  e x p r ess ed   g r ea t  in ter est  in   b io tele m etr y   an te n n as.  I n   o r d er   t o   tack le  th e  p r o b lem s   o f   m in iatu r izatio n ,   as  well  as  o th er   ch allen g es  an d   r estrictio n s ,   s u ch   as  b io co m p atib ilit y ,   im p e d an ce   m atch in g ,   lin k   b u d g et,   a n d   p atien t   s af ety ,   im p lan tab l e  an ten n as  ar e   o f   s ig n if ican t  s cien tific   in ter est  [ 2 ] .   I MD s   u s e  a  v ar iety   o f   f r eq u en c y   b a n d s ,   in clu d in g   th e  m ed ical  im p lan t   co m m u n icatio n   s er v ice  ( MI C S)  b an d   ( 4 0 2 - 4 0 5   MH z) ,   wh ich   is   an   u n licen s ed   s er v ice  f o r   b io m ed ical   ap p licatio n s   r ec o g n ized   wo r l d wid e.   Ho wev er ,   th e   I SM  b an d s   v ar y   f r o m   co u n tr y   to   co u n tr y .   I n   t h e  US,   th e  f ed er al  co m m u n icatio n s   co m m is s io n   ( FC C )   r eg u lates  an d   s tr u ctu r es  th e  I SM  b an d s   ( 9 0 2 – 9 2 8   MH z  an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       Ultr a - min ia tu r iz ed   d u a l - b a n d   imp la n ta b le  a n ten n a   fo r   r etin a l p r o s th esis   ( A b d elmo u tta lib   B o u s r o u t )   761   2400 – 2 4 8 3 . 5   MH z) .   T y p ically ,   d ev ices  u s e  th e  I SM  b an d   ( 2 4 0 0 – 2 4 8 3 . 5   MH z)   to   tr a n s itio n   f r o m   s tan d b y   to   wak e - u p   m o d e,   th e r eb y   co n s er v in g   b atter y   p o wer   a n d   p r o lo n g in g   th e   d e v ice' s   life s p an   [ 3 ] – [ 5 ] .   W ir eless   im p lan ted   d ev ices  wid ely   u s e   th e  Me d R ad io   f r eq u e n cy   b a n d ,   ex ten d in g   f r o m   4 0 1   to   4 0 6   MH z;  h o wev er ,   s o u r ce s   [ 6 ] – [ 8 ]   h av e  in d icate d   th at  an ten n as  o p er atin g   i n   th is   f r eq u en c y   r an g e  h av e  li m ited   b an d wid th s ,   lead in g   to   lo w  d ata  r ates a n d   li m ited   im ag e  r eso lu tio n .   R ec en t  d ev elo p m e n ts   an d   s ig n if ican t  ch allen g es  i n   th e  f ield   o f   m ed ically   im p lan ted   a n ten n as  ar e   d is cu s s ed   in   [ 2 ] ,   h ig h lig h tin g   f ac to r s   in f lu en cin g   r a d io   wav e  p r o p ag atio n   with in   th e  h u m an   b o d y .   R ec en tly ,   t h e r e   h a v e   b e e n   a d v a n c e m e n t s   i n   i m p l a n t e d   a n t e n n a   t e c h n o l o g i e s   f o r   t e l e m e t r y   a p p l i c a t i o n s .   F o r   i n s t a n c e ,   i n   [ 9 ] ,     a  co m p ac t   an ten n a   co n f ig u r atio n   f ac ilit ated   in tr ac r an ial  p r ess u r e  m o n ito r in g   ( I C P)  th r o u g h   d u al   co m m u n icatio n   ch a n n els  at  9 1 5   MH z  a n d   2 . 4 5   GHz ,   d em o n s tr atin g   e x ce llen t  b r o ad b an d   p er f o r m an ce .   An o th er   d ev elo p m en t,   d escr ib ed   in   [ 1 0 ] ,   in v o lv es  a   m u lti - b an d   c o m p atib le   an ten n a  in te g r ated   in to   a   ca p s u le   s y s tem   ca p ab le  o f   o p e r atin g   ac r o s s   Me d R ad io ,   th e  m ed iu m   b an d   ( 1 2 0 0   MH z) ,   an d   th r ee   I SM  b an d s   s im u ltan eo u s ly .   Desp ite  a  s lig h t  1 . 5 %  b an d wid th   r ed u ctio n   at  4 0 2   MH z  in   a  h o m o g e n eo u s   m u s cle  p h an to m ,   th is   an ten n a  s h o ws  an   o v er all  b an d wid th   in cr ea s e  o f   2 7 . 3 6 %.  L iap atis   an d   Nik ita  [ 1 1 ]   also   talk   ab o u t  a  s m all  th r ee - b an d   an ten n a  ( 3 × 3   m m ²)   th at  is   m ad e  f o r   r etin al  p r o s th eses   an d   ca n   ac h iev e  - 4 . 9   d B i  p o wer   o n   a  h o m o g en eo u s   ey e  p h a n to m   a n d   a  wid e  6   GHz   b an d wid th .   Acc o r d in g   t o   Fais al  an d   Yo o   [ 1 2 ] ,   a  s m all  d u al - b an d   an ten n a  m ea s u r in g   7 . 2 × 7 × 0 . 2   m m ³  th at  is   m ea n t  f o r   im p lan tab le  b atter ies  g ets  th e   b est  r esu lts   wh en   test ed   o n   a  s in g le - lay er   s k in   p h an to m ,   with   - 2 5 . 6 5   d B i  at  9 2 8   MH z  an d   - 2 8 . 4 4   d B i  at  2 . 4 5   GHz .   R e s ea r ch er s   f o u n d   th e   SAR   v alu es  f o r   t h is   an ten n a   to   e x ce ed   p er m is s ib le  lim its   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   Ad d itio n al ly ,   Sah a  et  a l.  [ 1 5 ]   p r esen t  a   co m p ac t   cir cu la r ly   p o lar ized   an ten n a   s p ec if i ca lly   d esig n ed   f o r   b io - tele m etr y   a p p licatio n s ,   m ea s u r in g   1 0 ×1 0 × 0 . 3   m m ³.   T h e  s im u lated   g ain   ac r o s s   th e  en tire   o p er atin g   b an d   is   ap p r o x im ately   7 . 7 9   d B i,  with   ac co m p a n y in g   SAR   an aly s is   co n d u cted   as  p ar t   o f   th e  s tu d y .   H o wev er ,   s in ce   in teg r at ed   wir eless   m ed ical   d ev ices  ( I W MD s )   r eq u ir e  o p er atio n al  f r eq u en cies  f o r   wir eless   ch ar g in g   an d   wak e - u p   in   a d d itio n   to   b io telem etr y ,   s in g le - b an d   an t en n as  wo u ld   n o t  b e  s u f f icien t  to   m ee t  all  o f   th eir   n ee d s   [ 1 6 ] .   T h er e  h av en ’ t     b ee n   m an y   d u al -   an d   tr ip le - b an d   o p e r atin g   in g esti b le  im p l an ted   an ten n as  p r o p o s ed   in   t h e  liter atu r e  [ 1 7 ] .   B ah r am i  et  a l.   [ 1 8 ]   r e p o r t  th e  d ev elo p m e n t  o f   two   p air s   o f   s m all  an ten n as  f o r   a  r etin al  p r o s th esis .   T h e  in tr ao cu lar   an te n n a  h as  a  s h o r tin g   p in   a n d   is   tr ian g u lar ,   m ea s u r in g   7 . 6 3   m m 3   in   s ize   at  2 . 4 5   GHz .   An   ex tr ao cu lar   a n ten n a,   wh ic h   is   also   tr ian g u lar ,   h as  p ar asit ic  p ar ts   an d   is   a  r ec tan g u lar   p atc h ,   m ea s u r in g   2 6 . 2 4   mm 3   in   s ize  at  th e  s am e  f r eq u e n cy .   At  1 . 4 5   GHz ,   an o th e r   in tr ao cu lar   an ten n a  with   a  s ize  o f   6 . 2 5 ×6 × 0 . 6 3   m m 3   an d   a  s ec o n d   p lan a r   in v er te d - F e x tr ao cu lar   a n ten n a  ( 2 8 ×2 4 ×1 . 4 3   m m 3 )   wer e  p r o p o s ed .   W e  ev alu ated   th e  an ten n a  ef f icien cy   b y   s im u latin g   t h e  an ten n a  r ef lectio n   a n d   tr an s m is s io n   co ef f icien ts ,   elec tr ic  f ield   s tr e n g th ,   a n d   SAR ,   an d   th en   a n al y ze d   th e  m an u f ac tu r in g   p r o ce s s   to   u n d er s tan d   th e  p er f o r m an ce .   Ho wev er ,   we   d i s co v er ed   t h at  th e   p r esen tatio n   an d   d is cu s s io n   o f   an ten n a   g a in s   h ad   ce ased .   I n   th e  liter atu r e,   o n ly   a  f ew  wo r k s   h av e  f o cu s ed   o n   r etin al  im p lan ts .   T h e  r etin al  p r o s th esis ,   th er ef o r e,   is   a  v er y   in ter esti n g   ap p licatio n   o f   ad v an ce d   b io m e d ical  s y s tem s   co m p r is in g   an   ex t r ao cu lar   u n it  an d   an   im p la n ted   in tr ao cu lar   u n it.  Fig u r e  1   s h o ws  th e  co m p o n en ts   o f   a  r etin a l  im p lan t  [ 1 9 ] .   T h e  s y s tem   co n s is ts   o f   an   ex ter n al   co m p o n en t  an d   an   im p lan te d   co m p o n en t.  T h e  s y s tem   attac h es  an   ex ter n al  ca m er a  to   t h e   p atien t' s   s p ec tacle s   an d   co n n ec ts   it  to   a   m o b ile  v is u al  tr ea tm en t  u n it,  w h ich   p r o ce s s es  th e  p ictu r e  b ef o r e  tr a n s m itti n g   it  to   th e   im p lan t' s   in teg r ated   p ar t  th r o u g h   a  tr a n s m itti n g   an ten n a .   T h e  an ten n a   s er v es  two   p u r p o s es:  it  wir eles s ly   tr an s m its   r ad io   f r eq u en c y   ( R F)  telem etr y   d ata  to   an   in ter n al  co m m u n icatio n   an ten n a  an d   tr an s m its   R F  en er g y   to   d ee p l y   b u r ied   im p lan ts   to   p o wer   th em .   T h e   p atien t' s   len s   h o ld s   th e   im p lan ta b le  p ar t  in   p lace .   T h e   im p lan ted   a n ten n a   r ec eiv es   th e  R F  s ig n al,   d ec o d es   it  in t o   a   s ig n al,   a n d   th en   tr an s m it s   it  d ir ec tly   to   th e   in tr ao cu lar   r etin al  s tim u lato r   v ia  a  ca b le.   Fo llo win g   an   ex ten s iv e  liter atu r e  r ev iew,   th is   s tu d y   aim s   to   ad d r ess   ch allen g es  with in   th e  d o m ain   o f   I MD s .   T h e  ab ilit y   o f   d u al - b a n d   an te n n as  to   p r ec is ely   alig n   with   tar g ete d   f r e q u en c y   b a n d s   an d   o v e r co m e   tis s u e - r elate d   o b s tacle s   m ak e s   th em   h ig h ly   esteem ed .   T h e  p r im ar y   f o cu s   is   o n   d e v el o p in g   h ig h - q u ality   b io m ed ical  an ten n as,  s p ec if ically   f o r   ap p licatio n s   in v o l v in g   r etin al  im p lan ts .   A  n o tab le   ch allen g e  in   t h ese  ap p licatio n s   is   th e  s ize  co n s tr ain t  o f   a n ten n as  d u e  to   th e  e y e' s   s m al l  d im en s io n s .   I t  is   im p er ativ e  to   r ec o n cile  th is   co n s tr ain t  with   th e   n ec ess ity   o f   e n s u r in g   o p tim al   an ten n a  p er f o r m an ce .   T h is   r esear c h   s u cc ess f u lly   tack les  th is   ch allen g e  b y   e n g in ee r in g   a  co m p ac t  an ten n a  th at  m ee t s   s ize  r eq u ir em en ts   wh ile  d eliv er in g   e x ce p tio n al   p er f o r m an ce .   W e  id en tifie d   cr itical  p er f o r m an ce   f ac t o r s   s u ch   as  g ain ,   r ad iatio n   ef f ic ien cy ,   im p ed a n ce   m atch in g ,   s en s itiv ity ,   an d   a n ten n a  s ize  th r o u g h   a  co m p r eh e n s iv e  r ev iew  o f   ex is tin g   s tu d ies.  W e  m eticu lo u s ly   d esig n ed   th e   an ten n a  with   th e s e  f ac to r s   in   m in d ,   em p h asizin g   wid e  c o v er a g e,   h ig h   g ain ,   lo w  SAR ,   s im p licity ,   an d   co m p ac tn ess   to   o p tim iz e  p er f o r m an ce .   T h e  r esu lts   ar e  im p r ess iv e,   f ea tu r in g   a   b r o ad   im p ed a n ce   b an d wid th   o f   1 6 . 6 6 %  at  2 . 4   GHz   an d   1 0 . 3 4 %  at  5 . 8   GHz ,   alo n g   with   p ea k   g ain   v alu es  o f   - 2 7 . 7 6   d B   an d   - 1 6 . 4 0   d B ,   r esp ec tiv ely .   R em ar k ab ly ,   t h e  im p la n tab le  an te n n a  is   co m p ac t,   m ea s u r in g   ju s t  2 . 2 ×2 . 1 5 ×0 . 7 8   m m ³.   T h ese  o u tco m es  r ep r esen t  a  s ig n if ican t  leap   in   b io m ed ical  an ten n a  tech n o lo g y ,   p ar t icu lar ly   f o r   r etin a l   im p lan ts ,   en h an cin g   a n ten n a  ca p ab ilit ies  to   m ee t  s p ec if ic  ap p licatio n   r eq u ir em e n ts   an d   lay in g   th e  g r o u n d wo r k   f o r   f u tu r e  h ea lth ca r e  in n o v atio n s .   T h is   ar ticle   h as  th e   f o llo win g   s tr u ctu r e:   T h e   in tr o d u ctio n   r ef lects  o n   th e   ap p ea l  o f   b io m ed ical  im p lan ts ,   s p ec if ical ly   th e  r a d io   co m p o n en t  o f   th ese  d ev ices,  th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   2 ,  No v em b er   20 24 :   7 6 0 - 7 7 6   762   r eq u ir em e n ts   o f   b io m ed ical  an ten n as,  an d   s o m e  ch allen g es.  T h e  in tr o d u ctio n   also   d elv es  in to   s ev er al  r elev an t   wo r k s   in   th is   ap p licatio n   ar ea ,   h ig h lig h tin g   th eir   s tr en g th s   a n d   d r aw b ac k s ,   an d   p r o v id in g   t h e  im p etu s   f o r   th is   s tu d y .   T h e  s ec o n d   p ar t  co v er s   th e  p r o ce d u r es  an d   m eth o d s   u s ed   to   cr ea te   th e   p r o p o s ed   im p lan ted   an ten n a,   t h e   s im u latio n   en v ir o n m en t,  a n d   t h e  d is cu s s io n   o f   th e  r esu lts   o b tain ed   af ter   t h e  p ar a m etr ic  s tu d ies.  T h e  an al y s is   o f   th e   s im u lated   r esu lts   also   c o v er s   th e   co u p lin g   e f f ec ts   r es u ltin g   f r o m   t h e  in teg r atio n   o f   th e  an te n n a  i n   th e   r etin al  p r o s th esis .   T h e  n ex t  s ec tio n   p r o p o s es  a  tr an s m is s io n   an ten n a  th at  p r o v id es  b o th   telem etr y   an d   e n er g y   tr an s f er   to   t h e  im p lan te d   p ar t   o f   th e   s y s tem .   T h e  s am e   s ec tio n   also   ex am in es  t h e  SAR   in   a  h eter o g en e o u s   en v ir o n m en t u s in g   a  h u m an   e y e  m o d el.   T h e  f in al  s ec tio n   d e lv es in to   th e  an aly s is   o f   th e  lin k ag e  b u d g et  f o r   th e   p r o p o s ed   an ten n a,   s u b s eq u e n tly   p r esen tin g   a  co m p ar ativ e  s tu d y ,   a  c o n clu s io n ,   a n d   r ef er en c es.           Fig u r e   1 .   T h e  ar ch itectu r e  o f   t h e  im p lan t in   t h e  p atien t ’ s   ey e       2.   M E T H O D   2 . 1 .     Sy s t e m   des ig n a nd   s im ula t io n e nv iro nm ent   Fig u r e  2   s h o ws  th e  ar ch itectu r e  o f   th e  p r o p o s ed   r etin al  im p lan t  s y s tem   an d   th e  s im u latio n   en v ir o n m en t.  Fig u r e  2 ( a)   s h o ws  th at  we  f ir s t  test ed   th e  p r o p o s ed   s m all  a n ten n a  i n   an   e y eb all  th at  h as  f o u r   d if f er en t  b io lo g ical  lay e r s : th e  v itre o u s   h u m o r ,   t h e  s cler a,   th e  len s ,   an d   th e  c o r n ea .   E ac h   o f   th ese  lay er s   h as its   o wn   d ielec tr ic   p r o p er ties .   T a b le  1   s h o ws  th e   tis s u es '   elec tr ical  ch ar ac ter is tics   [ 2 0 ] .   Fig u r e  2 ( b )   d e p icts   th e   p o s itio n   o f   th e  r etin al  im p lan t  in   th e  p h an to m   d esig n ed   u n d er   h ig h - f r eq u en cy   s tr u ctu r e  s im u lato r   ( HFSS ) .  T h e  in teg r ated   p ar t  o f   th e  r e tin al  im p lan t  h as  m o r e  th an   ju s t  th e  an ten n a  th at  is   im p l an ted .   I t  h as  d ata  m an ag em en t,   p o wer   m an a g e m en t,  a  p r in ted   cir c u it  b o a r d   ( PC B ) ,   a  b io co m p atib ilit y   lay e r ,   co n n ec tin g   wir es,   an   elec tr o d e  ar r ay ,   a  ca b le,   a n d   an   elec tr o n ic   p ac k ,   as  s h o w n   in   Fig u r e   2 ( b ) .   T h e   im p lan t   u s ed   in   o u r   s tu d y   is   well  d escr ib ed   i n   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ] .   T h e  s cien tific   liter atu r e   co n tain s   s ev er al  o th er   r etin al  im p la n t  d esig n s ,   s o m e  o f   wh ich   m ay   r esem b le   o r   d e v ia te  f r o m   th e   o n e  we   h av e   p r o p o s ed .   H o wev er ,   o u r   m ai n   o b jectiv e  is   to   g ain   a  b etter   u n d er s tan d i n g   o f   th e  c o m p lex   in ter ac tio n s   b etwe en   th e  p r o p o s ed   in tr a o cu lar   an te n n a  an d   th e  v ar io u s   co m p o n en ts   o f   r etin al  im p lan t  s y s tem s .   Ou r   m ain   co n ce r n s   ar e  two f o ld :  f ir s tly ,   p r o ac tiv ely   id en tify in g   an y   p o s s ib le  im p ac t  o n   th e  an ten n a' s   p er f o r m an ce ,   esp ec ially   in   ter m s   o f   co u p lin g   e f f ec ts ;  an d   s ec o n d ly ,   p u ttin g   in   p lace   a  f ail - s af e  m ec h an i s m   to   m ak e  s u r e  it  wo r k s   p er f ec tly   in   th e  r ea l  wo r ld .   W e  d ev elo p ed   th is   m eth o d o l o g y   co n s id er in g   th e   wo r s t - ca s e  s ce n ar io ,   wh er e  t h e  an ten n a  is   in   d ir ec t  p r o x i m ity   to   th e  im p lan t  its elf .   T h e  f ir s t  in   v itro   test s   o n   th e   is o lated   r etin a  o f   t h e  t ig er   s alam an d er   m ad e   it  p o s s ib le  to   ev al u ate  its   ef f ec tiv en ess .   Sil ico n e   ( = 11 . 9 ) ,   with   a  th ick n ess   o f   0 . 1   m m ,   en c ap s u lates  th e  r etin al  im p lan t  t o   p r ev en t   d ir ec t c o n tact  with   tis s u e.       T ab le   1 .   E lectr ical  p r o p e r ties   o f   tis s u es u s ed   in   ey eb all  m o d els   El e c t r i c a l   p r o p e r t i e s   F r e q u e n c y   ( G H z )   V i t r e o u s   h u m o r   Le n s   S c l e r a   C o r n e a   R e l a t i v e   p e r m i t t i v i t y   ( )   2 . 4   6 8 . 2   34   5 2 . 2   5 1 . 7   5 . 8   6 4 . 8   3 0 . 5   4 . 7 8   4 6 . 5   C o n d u c t i v i t y     ( ⁄ )   2 . 4   2 . 4 4   1 . 0 6   2   2 . 2 6   5 . 8   6 . 6 7   3 . 4 3   5 . 4 7   5 . 6 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       Ultr a - min ia tu r iz ed   d u a l - b a n d   imp la n ta b le  a n ten n a   fo r   r etin a l p r o s th esis   ( A b d elmo u tta lib   B o u s r o u t )   763       ( a)   ( b )     Fig u r e  2 .   Ar c h itectu r e  o f   p r o p o s ed   r etin al  im p lan t sy s tem   an d   s im u latio n   en v i r o n m e n t    ( a)   ey eb all  m o d els   an d   ( b )   t h e  p o s itio n   o f   t h e  s y s tem   in   th e  p h an to m       2 . 2 .     Ant enna   d esig n   Fig u r e  3   illu s tr ates  th e  p r o p o s ed   an ten n a.   Fig u r es  3 ( a)   an d   3 ( b )   s h o w  th at  it  co n s is ts   o f   tw o   r ad iatin g   elem en ts   s tack ed   v er tically   a n d   d esig n ed   in   m ea n d er s .   Fig u r e  3 ( c)   s h o ws  th e  p lace m e n t  o f   th ese  elem en ts   o n   a  g r o u n d   p lan e  to   m in im ize  b a ck war d   r ad iatio n .   T h e  an ten n a   h as  a  s an d wich - lik e  co n f ig u r atio n ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e  3 ( d ) .   T h e  m ea n d er i n g   an d   s tack in g   o f   th e  p atc h e s   len g th en   th e  cu r r en t  f lo w,   t h er eb y   r e d u cin g   th e   an ten n a' s   s ize.   T h e  d is p er s ed   tis s u es  o f   th e   s p ir al  a n d   m ea n d er   an ten n as   m ak e   th em   less   s u s ce p tib le  to   d ielec tr ic  alter atio n s   in   th e  h u m an   b o d y   [ 2 3 ] .   T h e  an te n n a' s   o v er all  s ize  is   2 . 2 ×2 . 1 5 × 0 . 7 8   m m ³.   T a b le  2   illu s tr ates  th e  es s en tial  d im en s io n s   o f   th e  s tu d ied   an ten n a,   h ig h lig h tin g   its   len g th ,   wid th ,   an d   h eig h t,  as  well  as  th e  ch ar ac ter is tic s   o f   th e  s l o ts   in   th e  g r o u n d   p lan e  an d   th e  p atch .   W e  etch   th e  an ten n a's  to p   p atch   o n   FR 4   ep o x y   m ater ial  an d   p r in t  th e  l o wer   p atch   o n   R o g er s   T MM 1 0 ,   b o th   o f   wh ich   h av e  th ic k n e s s es  o f   0 . 4   m m   an d   0 . 3 8   m m .   T h e  T MM 1 0   m ater ial's  h ig h   p er m itti v ity   aid s   in   m in iatu r izatio n   b y   d ec r ea s in g   an ten n a  lo s s es  an d   ef f ec tiv e  wav elen g th   [ 2 4 ] .   W e  f ee d   th e  two   p atch es  with   a  co ax ial  wir e  with   an   im p ed an ce   o f   5 0   o h m s ,   an d   we  co n n ec t  th e  b o tto m   p at ch   to   th e  g r o u n d   p lan e  v i a  a  lo w - r esis tan ce   ch ip   with   R =5   o h m .   Fo r   m in iatu r izatio n   a n d   m atch in g ,   we  ad d   a   3 . 5 - o h m   r esis to r   t o   th e  u p p er   p atch .   Fin ally ,   we   a p p ly   a   th in   lay er   o f   s ilico n   to   th e  an ten n a   to   en s u r e  b io co m p atib ilit y .             ( a)   ( b )   ( c)       ( d )     Fig u r e  3 .   T h e  s tr u ctu r e  o f   th e   im p lan tab le  an ten n a  b ein g   p r o p o s ed : ( a)   to p   p atch ,   ( b )   g r o u n d   p lan e,     ( c)   b o tto m   p atch ,   an d   ( d )   s id e  v iew       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   2 ,  No v em b er   20 24 :   7 6 0 - 7 7 6   764   T ab le  2 .   L is t o f   t h e  p ar am eter s   o f   th e  s tated   d esig n   P a r a me t e r   a   b   c   e   f   j   h   D i me n si o n   ( mm )   0 . 1   2 . 2   0 . 1 6   0 . 0 8   0 . 0 9   2 . 1 5   0 . 2 2   P a r a me t e r   g   k   l   n   t 1   t 2   i   D i me n si o n   ( mm )   0 . 1 3   0 . 4   0 . 2 6   0 . 2 3   0 . 4   0 . 3 8   0 . 2       2 . 3 .     Desig nin g   s t eps   T h is   s ec tio n   d escr ib es  th e  u ltra - m in iatu r e  an ten n a' s   ar ch itectu r e  u s in g   th e  5 . 7 2 5 - 5 . 8 7 5   GHz   an d     2 . 4 - 2 . 4 8   GHz   f r e q u en cies.  Fig u r e  4   d is p lay s   th e  p r o p o s ed   an ten n a’ s   d esig n   p r o ce s s .   Fig u r e  5   s h o ws  th e   r ef lectio n   co e f f icien t  as  a  f u n c tio n   o f   f r eq u en cy   f o r   t h e  v ar i o u s   d esig n   s tep s .   T h e  f i n al  s tr u ctu r e  ev o l v ed   o v er   th r ee   d esig n   a n d   o p tim izatio n   m o d els.  I t   is   ev id en t  th at  m in o r   a d ju s tm en ts   to   th e  r ec tan g u lar   ( u p p e r   an d   lo wer )   p atch es  led   to   t h e  f i n al  d esig n .   I n   ad d itio n   to   th e  s p ir al  s h ap e  o f   th e  r ad iati n g   elem en ts ,   o th e r   m o d if icatio n s   in clu d ed   i n s er tin g   r esis to r s   o n   t h e  u p p er   a n d   lo wer   p atch es  to   im p r o v e  p er f o r m an ce   an d   m in iatu r ize  th e   an ten n a .   W e  d id   n o t   m ak e   an y   ch an g es  to   th e  g r o u n d   p lan e   b ec au s e  u s in g   a  f u ll  g r o u n d   p lan e   d o es  n o t  r esu lt  in   an y   p o wer   f lo w  to   th e  r ea r .   W e  co n d u c ted   a  th o r o u g h   p a r am etr ic  an aly s is   b ased   o n   th e  r ef lectio n   co ef f icie n t b ef o r e  c h o o s in g   th e  p atc h   s h ap es.  T h e   an ten n a  im p r o v es with   in cr e m en tal  ch an g es in   its   d esig n ,   as sh o wn   in   Fig u r e  4 .           Fig u r e  4 .   Desig n in g   s tep s           Fig u r e  5 .   R ef lectio n   c o ef f icien t f o r   ea ch   d esig n in g   s tep       I n   th e   f ir s t  s tep ,   we  in s er te d   r ec tan g u lar   s lo ts   in to   th e   lo wer   p atch   to   cr ea te  a   s p ir al  an ten n a;  s im ilar ly ,   we  in tr o d u ce d   s lo ts   in to   th e  u p p er   r ad iatin g   elem e n t  to   d esig n   a  r in g - s h ap ed   p at ch .   W e  ca n   s ee   th e  ap p ea r an ce   o f   two   r eso n an ce s ,   o n e   at  4 . 1   GHz   a n d   th e   o th e r   at  5 . 8 6   GHz .   Fo r   b o th ,   t h e  r e f lectio n   co ef f icien t   v alu e  was  g r ea ter   th a n   - 1 0   d B ,   b u t  th ey ’ r e   n ev er t h eless   p r etty   lar g e.   T o   m atch   th e  o p er atin g   f r eq u en cies  o f   2 . 4   GHz   a n d   5 . 8   GHz   f o r   t h e  lo w  a n d   h ig h   r eso n a n ce   f r eq u e n cies,  r esp ec tiv ely ,   we  h ad   to   s wee p   t h e   o p er atin g   f r eq u en cies  s lig h tly   to war d s   th e  lo wer   f r eq u e n ci es.  I n   th e  s ec o n d   s tep ,   we  co m p r ess ed   th e  s p ir al  s h ap e  o f   th e  lo wer   p atch   a n d   p o s itio n ed   it  in   th e  ce n ter   o f   t h e  r ad iatin g   elem en t.  W e  in s er ted   two   r ec tan g u lar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       Ultr a - min ia tu r iz ed   d u a l - b a n d   imp la n ta b le  a n ten n a   fo r   r etin a l p r o s th esis   ( A b d elmo u tta lib   B o u s r o u t )   765   s lo ts   o n   th e  p atch ' s   b o r d e r s ,   wh ich   o p tim ize d   th e   r ef lectio n   co ef f icien t  f r o m   - 1 1 . 1   d B   to   - 1 6   d B   in   th e   lo w   f r eq u e n cies  an d   f r o m   - 1 8   d B   to   - 2 1   d B   n ea r   t h e  h ig h   f r eq u e n cies,  d esp ite  n o t  tu n in g   th e  r eso n an t  f r eq u en cies  to   th e  d esire d   r eso n an t  f r eq u en cies.  I n   t h e  th ir d   s tep   ( Fig u r e  4 ) ,   we   in tr o d u ce d   ad d itio n al  s lo ts   o n   t h e  tw o   p atch es  to   ex ten d   th e  c u r r e n t  p ath   an d   s h if t  th e  f r eq u en ci es  to war d s   th e  lo w  f r e q u en ci es.  Fig u r e  5   clea r l y   s h o ws  th at  we  h av e  b r o u g h t   th e  r eso n an ce   f r eq u e n cies  clo s er   to   th e  s u itab le  f r eq u en cies,  s ig n if ican tly   im p r o v in g   th e  ad ap tatio n   an d   o p tim izin g   th e  r ef lectio n   c o e f f icien t  v alu es.  I n   th e  last   s tep ,   we  o n ly   ad d e d   a  r esis tan ce   o n   th e  u p p er   p atch ,   wh ich   allo ws  f o r   m o r e  o p tim ized   r esu lts .   W e   m o v ed   th e   r eso n an ce   at  lo wer   f r eq u e n cies  f r o m   2 . 3 8   GHz   to   2 . 4   GHz ,   ex h ib itin g   a  r e f lectio n   co ef f icien t  o f   - 4 7   d B .   On   th e  o th er   s id e,   th e   u p p er   r eso n an ce   ( 5 . 7 5   GHz )   s h o wed   an   S 11   v alu e  o f   - 3 4   d B .   T h e  in s er tio n   o f   p ar asit ic  elem en ts   n o t  o n l y   m ak es it p o s s ib le  to   d ev elo p   t h e  m in iatu r izatio n   o f   th e   an ten n as,  b u t it  is   also   a  m ea n s   o f   a d ap tin g   th e m .     2 . 4 .     P a ra m et ric  a na ly s is   T h is   s ec tio n   d is p lay s   th e  p a r am etr ic  an aly s is   o f   th e   p r o p o s ed   an ten n a .   T h is   an al y s is   allo ws  b o th   ad ju s tm en t  an d   o p tim izatio n   o f   th e  r esu lts .   W e  ad o p t  th e  s am e  ey eb all  p h an to m   m o d el  f r o m   Fig u r e  2 ( a )   f o r   th is   p ar am etr ic  s tu d y ,   p o s itio n in g   th e   an ten n a   o n ce   a g a in   in   th e  p h an to m   to   ev alu ate  th e  im p ac t  o f   m o d if icatio n s   t o   th e   an te n n a   d esig n   p a r am eter s   o n   t h e  r ef l ec tio n   co e f f icien t.   Du r in g   th e   p ar am et r ic  s tu d y   o f   th e  p r o p o s ed   an te n n a,   it  is   cr u cial  to   tak e  in to   ac c o u n t  th e   p o s itio n in g   o f   th e  f ee d   an d   th e  r esis to r ’ s   v alu e  an d   p lace m en t.  W e  h av e  ca r ef u lly   ch o s en   all  th ese  f ac to r s   to   m a k e  ad ju s tin g   th e  p r o p o s ed   an te n n a  ea s y .   2 . 4 . 1 .   I m pa ct s   o f   t he  po s it io n o f   t he  f ee d   W h en   u s in g   t h e  p r o p o s ed   an t en n a,   Fig u r e  6   s h o ws  h o w  ch an g es  in   f ee d   p o s itio n   im p ac t   S 11 .   I t  is   clea r   th at  th e  f ee d ' s   p o s itio n   is   cr itical  to   ac h iev in g   d u a l - b an d .   Feed i n g   th e  a n ten n a   at  P3   g en er ates  a   r eso n an ce   with   a  4 0 0   MH z  b an d wid th   at  6 . 5   GHz .   E v en   th o u g h   th e  an ten n a  ex h i b its   th r ee   wea k   r eso n an t   m o d es  at  ab o u t  2 . 5   GHz ,   4 . 1 9   GHz ,   an d   5 . 7   GHz   w h en   s tim u lated   at  P4 ,   th e  m atc h in g   p r o b lem   p er s is ts .   Similar   to   th e   p r e v io u s   ex am p le,   m ain tain in g   t h e  f ee d   at   P2   lead s   to   a  s in g le  s tr o n g   r es o n an ce   at  6 . 5   GHz .   Ho wev er ,   s tim u latin g   th e  an ten n a  at  P1   y ield s   a  b etter   r es o n an t  f r eq u en cy   m atc h .   Ou r   s tu d y   lead s   u s   to   th e  co n clu s io n   th at  P4   is   th e  o p ti m al  f ee d in g   l o ca tio n   to   o b tain   d u al - b an d   ca p ac ity   with   s atis f ac to r y   b a n d wid th s .           Fig u r e  6 .   E f f ec ts   o n   S 11   d u e  to   v ar iatio n s   in   f ee d   p o s itio n       2 . 4 . 2 .   T he  im pa ct   o f   cha ng in g   t he  v a lues   a nd   po s it io n o f   intr o du cing   re s is t o r   I n   th is   s tu d y ,   th e  v alu e  o f   th e  r esis to r   elem en t  was  o n e  o f   th e  m ain   p ar am eter s   u s ed   t o   d et er m in e  th e   ap p r o p r iate  b an d wid th   f o r   th e  r eq u ir ed   an te n n a,   wh ich   s ig n if ican tly   r ed u ce d   th e  s ize.   Fig u r e  7   s h o ws  h o w  th e  r ef lectio n   c o ef f icien t   v ar ies  w ith   th e   d if f er e n t  p o s itio n s   o f   th e  s u p p ly   r esis to r .   T h e  p lace m en t  o f   th e  r esis to r   s ig n if ican tly   in f lu en c es  th e  a n ten n a' s   m atch in g   p er f o r m a n ce .   At  p o s itio n   1 ,   t h e  an ten n a  d o esn ' t  m atch   th e  im p ed an ce   well  at  f ir s t,  s o   th e  lo w  r eso n an ce   f r eq u en cy   m o v es  a b o v e   th e  i n ten d ed   f r eq u e n cy   a n d   t h e   r ef lectio n   co e f f icien ts   f o r   b o t h   th e  lo w  an d   h ig h   r eso n a n c es  ar e  h ig h er   th an   - 1 0   d B .   W h en   m o v ed   to   th e   s ec o n d   p o s itio n ,   th e  an ten n a   im p r o v es  s lig h tly   in   ad ap tatio n   b u t  d o es  n o t  ac h iev e  th e   d esire d   f r eq u en c y   tu n in g .   T h e  r ef lectio n   co e f f ici en t  v alu es  m ea s u r ed   ar e  - 1 1   d B ,   - 2 2   d B ,   an d   - 2 7   d B   at  2 . 2   GHz ,   2 . 8 5   GHz ,   an d   6 . 6 8   GHz ,   r esp ec tiv el y .   I n   th e  th ir d   p o s itio n ,   alth o u g h   t h er e  is   s till   a  f r eq u en cy   t u n i n g   is s u e,   th er e  is   a n   im p r o v em e n t  in   ad ap tatio n   co m p ar ed   to   th e   s ec o n d   p o s itio n .   Fin ally ,   r elo ca tin g   th e   r esis to r   f r o m   p o s itio n   3   t o   p o s itio n   4 ,   as  d ep icted   in   Fi g u r e  7 ,   ac h iev es  th e  d esire d   f r eq u en c y   b an d .   T h e  an ten n a  ex h ib its   ex ce llen t   ad ap tatio n   with   r ef lectio n   co ef f icien ts   o f   - 4 4   d B   an d   - 3 4   d B   at  f r e q u en cies  o f   2 . 4   G Hz  an d   5 . 7 5   GHz ,   r esp ec tiv ely .   Dete r m in in g   th e   o p tim al  r esis tan ce   v alu e  f o r   ' L .   R '   was  cr u cial  to   ac h iev e  e x ce llen t  r esu l ts   o n ce   we   d eter m in ed   th e  o p tim al  p o s itio n   f o r   t h e  r esis to r .   Fig u r e  8   s h o ws  a  co m p ar is o n   o f   th e  r ef lectio n   co ef f icien t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   2 ,  No v em b er   20 24 :   7 6 0 - 7 7 6   766   u s in g   v a r io u s   r esis tan ce   v alu e s   to   co n n ec t  t h e  lo we r   p atc h   t o   th e   s u b s tr ate  g r o u n d .   Acc o r d in g   t o   th e   f in d in g s ,   an   in cr ea s e  in   r esis tan ce   v al u e  ca u s es  th e  r eso n an t  f r eq u en cy   to   s h if t  to war d s   a  lo w er   f r eq u en cy   r an g e,   d em o n s tr atin g   t h e  s ig n if ican t  im p ac t  o f   r esis tan ce   o n   th e  o p er atio n al  f r e q u en c y   b a n d .   Se ttin g   th e  r esis tan ce   v alu e  L . R .   to   3   o h m s   r esu lte d   in   r ef lectio n   co e f f icien ts   o f   - 1 6   d B   a n d   - 2 7   d B   at   f r e q u e n cies  2 . 4 6   GHz   a n d   5 . 8 5   GHz ,   r esp ec tiv ely .   I n cr e asin g   th e  L . R .   v alu e  b y   2   o h m s   ( L . R . =5   o h m s )   ca u s ed   th e   r eso n an t  f r eq u e n cies   to   s h if t  f r o m   2 . 4 6   GHz   to   2 . 4   GHz   an d   f r o m   5 . 8 5   GHz   to   5 . 7 5   GHz .   T h is   ad ju s tm en t  o p ti m ized   th e  r ef lectio n   co ef f icien t v alu es,  as illu s tr ated   in   Fig u r e  7 ,   wh er e  th e  s im u l ated   S 11   v alu es we r e  - 2 4   d B   a n d   - 3 4   d B   at  th e  lo w   an d   h ig h   r eso n an ce   f r e q u en ci es,  r esp ec tiv ely .   Ho wev er ,   s ettin g   th e  v alu e  o f   L . R .   to   7   o h m   ca u s ed   th e  lo w   r eso n an ce   f r eq u en cy   to   s h if t  b elo w  th e   d esire d   f r eq u en cy ,   le ad in g   to   a   d e g r ad atio n   o f   im p ed an ce   m atch in g   at   lo wer   f r eq u en cies  wh en   th e  r e s is to r   v alu e  was  eq u al  t o   1 0   o h m .   T h e   r esu lts   s h o wn   i n   Fig u r e  8   s u g g est  th at  th e   o p tim al  ch o ice  f o r   ac h iev in g   d u al - b an d   with   s atis f ac to r y   b an d wid th s   is   to   u s e  a  5 - o h m   r esi s to r .   B y   th e  s am e  p r o ce d u r e,   we  d eter m in ed   th e  o p tim al  p o s itio n   o f   th e   r esis to r   in s er ted   in   th e  u p p er   p atch ,   f o llo we d   b y   th e   d eter m in atio n   o f   th e  b est  v alu e  o f   th e   r esis to r .   Fig u r e  9   illu s tr ates  th at  th e  p lace m en t  o f   th e  r esis tan ce   h as  a  s ig n if ican t  in f lu en ce   o n   th e   r ef lectio n   c o ef f icien t.  L o ca tin g   th e   r esis to r   at  P1   y ield s   S1 1   v alu es o f   - 4 2   d B   an d   - 1 3   d B   at  f r eq u en cies o f   2 . 3 9   GHz   an d   5 . 7 7   GHz ,   r esp ec tiv ely ,   wh ile  p lacin g   th e  r esis to r   at  P2   y ield s   S 11   v alu es  o f   - 3 8   d B   an d   - 2 0   d B   at  f r eq u en c ies  o f   2 . 2   GHz   an d   5 . 7 7   GHz ,   r esp ec tiv ely .   T h e   r esu lts   d em o n s tr ate  th at   th e  P 3   p o s itio n   g en e r ates  a  r e f lectio n   co ef f icien t  o f   - 4 5   d B   an d   - 3 5   d B   at   f r e q u en cies   o f   2 . 4   GHz   an d   5 . 7 7   GHz ,   r esp ec tiv ely .   Fu r th er m o r e,   Fig u r e  1 0   s h o ws  th at  th e  v alu e  o f   t h e  to p   r esis to r   ( U. R . )   s ig n if ican tly   im p ac ts   im p ed an ce   m atch in g   an d   f in e - tu n i n g   c ap ab ilit y   at  t h e  d esire d   f r eq u e n cy .   Settin g   U. R .   t o   3 . 5   o h m s   allo ws  th e  a n ten n a   to   d is p lay   ac ce p tab le  b an d w id th s   th r o u g h o u t  t h e  o p er atin g   f r e q u en c y   r an g e .   Ho wev er ,   in cr ea s in g   U. R .   to   l o wer   th e  r eso n an t  f r eq u e n cy   i s   n o t  a  lin ea r   p r o ce s s .   T h ese  f in d in g s   u n d er s co r e   th e  cr u cial  r o le  o f   p a r am etr ic   o p tim izatio n   in   ac h ie v in g   i m p ed an ce   m atch in g ,   tu n i n g ,   a n d   d esire d   f r eq u en cy   o u tco m es.               Fig u r e  7 .   E f f ec t o f   v ar y in g   th e   p o s itio n   o f   t h e  lo wer   r esis to r   Fig u r e  8 .   E f f ec t o f   v ar y in g   v alu es o f   th e  lo wer   r esis to r               Fig u r e  9 .   E f f ec t o f   v ar y in g   p o s itio n   o f   u p p er   r esis to r   Fig u r e  1 0 .   E f f ec t  o f   v a r y in g   v alu es o f   u p p er   r esis to r         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       Ultr a - min ia tu r iz ed   d u a l - b a n d   imp la n ta b le  a n ten n a   fo r   r etin a l p r o s th esis   ( A b d elmo u tta lib   B o u s r o u t )   767   2 . 4 . 3 .   Co up lin g   ef f ec t s   du e  t o   a nte nn a   inte g ra t io n wit h r et ina l pro s t hes is   So   f ar ,   we  h av e  d esig n e d   an d   s im u lated   th e  an ten n a  with o u t  in teg r atin g   it  in to   th e  im p lan t  ( r etin al   p r o s th esis ) .   Ho wev er ,   i n   a  wo r k p lace   s ettin g ,   elec tr o n ic s ,   a  p o wer   m an ag er ,   an d   o t h er   co m p o n e n ts   will  en ca p s u late  th e  an ten n a ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e  2 ( b ) ,   le ad in g   to   co u p lin g   is s u es  b etwe en   th e  s y s tem 's   co m p o n en ts   an d   th e  p r o p o s e d   an ten n a.   Fig u r e  3 ( a)   illu s tr ates  th e  an aly s is   o f   th is   co u p lin g   b y   p lacin g   th e  en tire   s y s tem   in   th e  a d o p te d   p h an to m   m o d el.   T h e  r esu lts   clea r ly   in d icate   th at   o u r   an ten n a  is   less   s en s itiv e  to   co u p lin g   ef f ec ts .   T h is   ca n   b e   attr ib u ted   t o   th e   im p lem en ta tio n   o f   a  b i o co m p atib ilit y   lay er   th at  ef f ec tiv ely   co v er s   th e   en tire   a n ten n a   s y s tem ,   in clu d in g   th e  s u p e r s tr ate  p o s itio n ed   a b o v e   th e  t o p   p atc h .   Af ter   in teg r atin g   th e  an ten n a  with   th e  im p lan t,   we  in cr ea s ed   th e  r ef lectio n   co ef f icien t  f o r   b o th   r eso n a n c es,  r esu ltin g   in   S 11   v alu es  o f   - 2 4   d B   a n d   - 2 2   d B   at  2 . 4   GHz   an d   5 . 9   GHz ,   r esp ec tiv ely .   W e  also   o b s er v ed   a  d etu n i n g   n ea r   t h e   h ig h   r eso n an ce ,   s h if tin g   it  f r o m   5 . 7 8   GHz   to   5 . 9   GHz .   I n   o r d e r   to   t u n e  th is   r eso n an c e  an d   o p tim ize  th e   an ten n a,   a  s m all  p ar am etr ic  s tu d y   was  p er f o r m ed .   T h e  r es u lts   o b tain ed   af ter   o p tim izati o n   wer e  alm o s t  th e  s am e,   o r   th e  a n ten n a  was n o   lo n g er   e n ca p s u lated   with   th e   im p lan t,  as sh o wn   in   Fig u r e  1 1 .           Fig u r e  1 1 .   R ef lectio n   co ef f icie n t S 11   in   th e  d if f e r en t scen ar io s       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th e  in itial  p h ase  o f   th e  in v e s tig atio n ,   th e  f o cu s   ce n ter e d   o n   th e  m o d elin g ,   an aly s is ,   an d   v alid atio n   o f   an   an ten n a  p r im ar ily   d esig n ed   f o r   r ec ep tio n   an d   in te n d ed   f o r   im p lan tatio n   with i n   th e  h u m a n   ey e .   Su b s eq u en tly ,   we  in tr o d u c ed   a  tr an s m itti n g   an ten n a   with   d u al  o b jectiv es:  to   f ac ilit ate  en er g y   tr an s f er   to   th e   im p lan ted   co m p o n en t  th r o u g h   m icr o wav e  f ee d in g ,   an d   to   e n ab le  th e  co m m u n icatio n   o f   b io lo g ical  d ata  v ia   telem etr y .   E n er g y   tr an s m is s io n   is   a  f u n d am en tal  co m p o n en t   o f   b io lo g ical  s y s tem s ,   with   th e  s etu p   em p lo y in g   th e  p lan n e d   wir eless   p o wer   tr an s f er   ( W PT )   tr an s m itter   a s   th e  s o u r ce   an d   th e  im p lan ted   an ten n a   as  th e   r ec eiv er .   T h e   s ec o n d   p ar t  aim s   to   cr ea te  a  h ig h - p er f o r m a n c e  r ec tan g u lar   p atch   a n ten n a  t h at  wo r k s   as  a  W PT.   T h is   is   an   im p o r tan t  p a r t  f o r   s en d in g   R F  en er g y   to   d ee p ly   e m b ed d e d   im p lan ts   to   p o wer   th em   an d   f o r   s en d in g   b io lo g ical  in f o r m atio n .   W e  ad d   s lo ts   to   th e  p atch   an d   g r o u n d   p lan e   to   m in iat u r ize  an d   a d ap t  th e  a n ten n a,   f o llo win g   p ar am etr ic  s tu d ies to   id en tify   t h e  o p tim al  an ten n a  ch ar ac ter is tics ,   as sh o wn   in   Fig u r e  1 2 .   Fig u r es 1 2 ( a ) ,   1 2 ( b ) ,   an d   1 2 ( c)   d ep ict  th e  t o p   v iew,   b o tto m   v iew,   an d   an ten n a   p o s itio n   o f   th e  p r o p o s ed   g e o m etr y   a n d   ex te r n al   an ten n a,   r esp ec tiv ely .   T h e  FR 4 - E POXY  s u b s tr ate,   with   a  th ick n ess   o f   1 . 6   m m ,   f o r m s   th e  r ad iatin g   co m p o n en ts   o f   t h e  an ten n a.   Ov er all,   th e  W PT  tr an s m itter   is   3 6 ×3 6 × 1 . 6   m m 3 .   T h e   s im u latio n s   p o s itio n   th e   W PT  tr an s m itter   at  a  d i s tan ce   o f   2   cm   f r o m   th e  o c u lar   len s   an d   3   cm   f r o m   th e  im p lan te d   a n ten n a,   as sh o wn   in   Fig u r e  1 2 ( c ) .     Fig u r e  1 3   d is p lay s   th e  s y s t em ' s   S 21   v alu es  a t  2 . 4   GHz   an d   5 . 8   GHz   f r eq u e n cies,  r eg is ter in g   m ag n itu d es  o f   - 1 5 . 0 9   d B   an d   - 1 7 . 0   d B ,   r esp ec tiv ely .   Fig u r e s   1 3 ( a)   a n d   1 3 ( b )   d e p ict  th e  H FS S  an d   C ST  u s ed   in   s im u lated   S - p ar am eter s   f o r   im p lan tab le  an d   tr an s m itter   an ten n as,  r esp ec tiv ely .   Ad d iti o n ally ,   we  m ea s u r e   th e  r ef lectio n   c o ef f icien ts   at  t h ese  f r eq u e n cies  to   b e  - 3 2   d B   an d   - 2 7 . 1   d B ,   r esp ec tiv ely .   S 21   r ep r esen ts   th e  s y s tem ’ s   tr an s m is s io n   co ef f i cien t,  wh ile  S 11   a n d   S 22   s tan d   f o r   th e  W PT  tr a n s m itter s   an d   th e   im p lan ted   an ten n a’ s   r esp ec tiv e  r ef lectio n   co ef f icien ts .   W e  u s e  ( 1 )   to   ca l cu late  th e  p o wer   tr an s f er   ef f ic ien cy   ( PTE )   o f   th e   W PT  s y s tem .   T h e  s y s tem   o b t ain s   PTE   v alu es  o f   1 6 . 0 1 %  an d   1 2 . 8 6 %,  r esp ec tiv ely ,   f o r   f r eq u e n cies  o f   2 . 4   GHz   an d   5 . 8   GHz .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   2 ,  No v em b er   20 24 :   7 6 0 - 7 7 6   768   ( % ) = | 21 | 2 ( 1 − | 11 | 2 ) ( 1 − | 22 | 2 ) × 100   ( 1 )     T h ese  f in d in g s   s h o w  th at   th e  im p lan tab le  r ec eiv i n g   a n ten n a   ca n   p r ec is ely   ad a p t  to   t h e  n e ed s   o f   t h e  h u m a n   ey e,   p r o v in g   th at  it  is   im p o r tan t  f o r   m ed ical  u s es.  Mo r eo v er ,   th e  elev ated   p o wer   tr a n s f er   ef f icien cy   v alu e s   u n d er s co r e  th e  ef f ec tiv e n ess   o f   th e  p r o p o s ed   s y s tem   f o r   en er g y   tr an s f er ,   em p h asizin g   its   p o ten tial  f o r   ad v an cin g   b io m e d ical  tech n o l o g ies.             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  12 .   Pro p o s ed   g eo m etr y   an d   p o s itio n   f o r   th e  ex ter n al  a n ten n a:  ( a)   to p   v iew,   ( b )   b o tto m   v iew,   an d   ( c)   an ten n a  p o s itio n           ( a)   ( b )     Fig u r e  1 3 .   Simu lated   S - p ar am eter s   o f   im p lan tab le  a n d   tr a n s m itter   an ten n as u s in g   ( a)   HFSS   an d   ( b )   C ST       T h e  im p lan tab le  an ten n a  ev id en tly   ca p tu r es  a  s ig n if ican t  p o r tio n   o f   th e  W PT  tr an s m itter ' s   em it ted   p o wer   d u e  to   th e  d is p er s iv e  n atu r e  o f   th e  p r o p a g atio n   en v ir o n m e n t.  E f f ec tiv e  co m m u n icatio n   with in   th e  r etin al  im p lan t   s y s tem ,   wh et h er   im p la n ted   o r   n o t,   d ep e n d s   o n   t h e  an te n n a’ s   a b ilit y   to   em it  s tr o n g ly   a n d   d ir ec tly   to war d s   th e  in te n d ed   tar g et,   s u ch   as  th e  r ec eiv in g   a n ten n a  i n   d o wn lin k   co m m u n i ca tio n .   T h e   r esu lts   s h o wn   in   Fig u r e  1 4   d e p ict  th e  im p lan tab le  an ten n a' s   p o lar   r ad iatio n   p atter n   at  f r eq u en ci es  o f   2 . 4   GHz   an d     5 . 8   G H z .   T h e   p h a n t o m   m e a s u r e d   t h e   i m p l a n t a b l e   a n t e n n a' s   p e a k   g a i n s   a t   - 2 7 . 7 6   d B ,   - 2 8 . 6 1   d B ,   a n d   - 2 8 . 0 0   d B   at  2 . 4   GHz ,   a n d   - 1 6 . 4 0   d B ,   - 1 7 . 3 8   d B ,   an d   - 1 7 . 0 0   d B   at  5 . 8   GHz ,   r esp ec tiv ely ,   with   an d   with o u t  th e   in teg r ated   d ev ice.   Fig u r es  1 4 ( a)   an d   1 4 ( b )   d ep ict  th e   f ar - f iel d   p o lar   g ain   p atter n s   o f   a n   im p lan tab le  an ten n a  at  2 . 4   GHz   an d   5 . 8   GHz ,   r esp ec t iv ely .   Fu r th er m o r e,   Fig u r e  1 5   s h o wca s es  th e  r ad iatio n   ef f ici en cy   v alu es  f o r   t h e   two   r eso n an ce s   o f   th e  im p lan tab le  an ten n a ,   b o th   p r e -   an d   p o s t - r etu n in g .   Fig u r es  1 5 ( a )   a n d   1 5 ( b )   d ep ict  th e   ef f icien cy   o f   th e   co n f o r m al  a n ten n a  in   d if f er e n t  im p lan tatio n   s ce n ar io s   at  2 . 4   GHz   an d   5 . 8   GHz ,   r esp ec tiv ely .   R ad iatio n   ab s o r p tio n   an d   s ig n if ican t  tis s u e  in ter ac tio n   o f t en   s u b s tan tially   d im in is h   a n ten n a  ef f icac y   af ter   im p lan tatio n   in   ey e  tis s u e.   T h e  f in d in g s   u n d er s co r e  th e  r o b u s t  p er f o r m an ce   an d   ad ap tab ilit y   o f   th e   im p lan tab le  an ten n a,   d em o n s t r atin g   its   ef f icac y   in   t h e  ch alle n g in g   e n v ir o n m en t  o f   ey e   tis s u e  im p lan tatio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       Ultr a - min ia tu r iz ed   d u a l - b a n d   imp la n ta b le  a n ten n a   fo r   r etin a l p r o s th esis   ( A b d elmo u tta lib   B o u s r o u t )   769   T h e  v ar iab ilit y   i n   ef f icie n cy ,   in f lu en ce d   b y   im p lan tatio n   d ep th   a n d   tis s u e  ty p e ,   h ig h lig h ts   th e  in tr icate   ch allen g es  f ac ed   b y   im p lan tab le  an ten n as,  o f ten   o p er atin g   at  ef f icien cies  o f   1 %  o r   less .   No tab ly ,   o p tim izatio n   ef f o r ts   h av e   n o t ab ly   en h a n ce d   a n ten n a  e f f icie n cy .   W e  o b s er v e d   r a d iatio n   e f f icien cy   v al u es  at  2 . 4   GHz   o f   - 3 2 . 4 2   d B i,  - 3 2 . 9 5   d B i,  an d   - 3 2 . 3 9   d B i,  with   c o r r esp o n d in g   v alu es  at  5 . 8   G Hz.   I n teg r atio n   with   th e  d ev ice   y ield ed   f u r t h er   im p r o v em e n ts ,   as  ev id e n ce d   b y   - 2 2 . 6 5   d B i,  - 2 2 . 7 9   d B i,  an d   - 2 2 . 7 5   d B i  with o u t   in teg r atio n ,   r esp ec tiv ely ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e  1 5 .   Fig u r e  1 6   d ep icts   th e  tr an s m itti n g   an ten n a' s   f ar - f ield   p o lar   g ain   p atter n s   at  2 . 4   GHz   an d   5 . 8   GHz .   W e  ca n   clea r ly   s ee   th at  th e  an ten n a  ca n   d is tr ib u te  an d   co n ce n tr ate  th e  p o wer   i n   th e  i m p lan tab le  an ten n a  s u f f icien tl y   with o u t a n y   p r o b lem .   W e  r ec o m m en d   th e  a d o p tio n   o f   ex ter n al  a n ten n as  to   ad d r es s   th e  in h er en t  lim itatio n s   o f   an ten n as  an d   s tr en g th en   th e   lin k   b u d g et,   as  th ey   o f f e r   s u p er i o r   e f f icien c y   an d   p er f o r m an ce .   Simu latio n s   co n d u cted   u s in g   C ST  s o f twar e  co r r o b o r ated   th e  r esu lts   o b tain ed   with   HFSS   s o f twar e,   v alid atin g   th e   ac cu r ac y   an d   r eliab ilit y   o f   o u r   f in d in g s .   Fig u r e  1 7   s h o ws  th e  s im u lated   g ain   an d   r ad iatio n   ef f icien cy   o f   im p lan tab l e .  At  2 . 4   GHz ,   th e   im p lan tab le  an ten n a  h ad   m o d eled   g ain s   o f   - 2 9   d B i  an d   - 3 5   d B i  u s in g   HF SS   an d   C ST  s o f t war e,   r esp ec tiv ely .   I t  also   h ad   e f f icien cies  o f   0 . 0 7 %  an d   0 . 0 6 %  n ea r   t h e  f ir s t  r eso n an ce .   At  5 . 8   GHz ,   ef f icien cies  p ea k ed   at   0 . 6 0 %  an d   0 . 5 1 %,  with   m o d eled   g ain s   o f   - 2 1 . 2   d B i  an d   - 1 6 . 4 0   d B i  f o r   C ST  an d   HFSS   s im u latio n s ,   r esp ec tiv ely ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e  1 7 ( a) .   At  2 . 4   GHz ,   th e   tr an s m itti n g   an ten n a  ex h ib ite d   m o d eled   g ai n s   o f   2 . 1 8   d B i  an d   2 . 2 1   d B i,  with   e f f icien cies  o f   6 0 %  an d   6 3 % u s in g   HFSS   an d   C ST  s o f twar e,   r esp ec tiv ely .   At  5 . 8   GHz ,   th e  m o d eled   g ain s   wer e  4 . 2 1   d B i  an d   4 . 2   d B i,  with   ef f icien cies  o f   6 5 %  an d   6 6 %,  as  illu s tr ated   in   Fig u r e  1 7 ( b ) .   T h e  r esu lts   s h o w  h o w   o p tim izatio n   is   a   k ey   f ac to r   in   im p r o v in g   t h e  p er f o r m an ce   a n d   u s ab ilit y   o f   im p la n tab le  an te n n as.  T h ey   s h o w  h o w  th ese  a n ten n as  co u ld   ch a n g e   b io m e d ical  ap p lic atio n s   b y   p r o v id in g   b etter   p er f o r m an ce   an d   m o r e  o p er atio n al  o p tio n s .       0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -42 -40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -42 -40 -38 -36 -34 -32 -30 -28  Ant e n n a  w it h  i mpl a n t  Ant e n n a  w it h  i mpl a n t  a ft e r  o p ti miz it io n  Ant e n n a  w it h o u t  imp la n t   ( a)   0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16  Ant e n n a  w it h o u t  imp la n t.  Ant e n n a  w it h  i mpl a n t.  Ant e n n a  w it h  i mpl a n t  a ft e r  o p ti miz it io n .   ( b )     Fig u r e  1 4 .   Far - f ield   p o lar   g ai n   p atter n s   o f   im p lan tab le  an te n n a  ( a)   at  2 . 4   GHz   an d   ( b )   at   5 . 8   GHz           ( a)   ( b )     Fig u r e  1 5 .   E f f icien c y   o f   t h e  co n f o r m al  a n ten n a  i n   d if f e r en t i m p lan tatio n   s ce n ar io s     ( a)   at  2 . 4   GHz   an d   ( b )   at  5 . 8   G Hz   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.