基于慢波效應(yīng)的小型圓極化植入式天線設(shè)計(jì)

范 藝， 黎濟(jì)銘， 劉雄英

(1.廣東技術(shù)師范大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣州 510665；2.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣州 510640)

隨著生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，植入式醫(yī)療設(shè)備逐漸成為生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)的核心領(lǐng)域[1]，這些設(shè)備可以廣泛地應(yīng)用于人體的神經(jīng)記錄[2]和血糖監(jiān)測(cè)[3]等方面。植入式天線能將人體的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，是人體內(nèi)植入式設(shè)備與體外接收裝置進(jìn)行無(wú)線通信的關(guān)鍵，其通常工作于ISM頻段，頻段范圍有433.1～434.8 MHz、902～928 MHz和2.4～2.48 GHz，同時(shí)也能工作于醫(yī)療植入通信服務(wù)頻段(402～405 MHz)和無(wú)線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)頻段(1 395～1 400 MHz)。由于植入式天線一般工作在有耗、空間有限的復(fù)雜人體環(huán)境中，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮小型化、生物兼容性、比吸收率(SAR)、遠(yuǎn)場(chǎng)增益等因素。

近年來(lái)，一些文獻(xiàn)提出了應(yīng)用于人體通信的植入式天線[4-8]。文獻(xiàn)[4]提出了一種多層平面倒F結(jié)構(gòu)的三頻段植入式天線，該天線采用了3層結(jié)構(gòu)，且面積較大。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種差分饋電的雙波段柔性植入式天線。以上天線都是線性極化，不能保證體內(nèi)發(fā)射天線與外部接收器的電磁波方向的獨(dú)立性。當(dāng)人體移動(dòng)或處于多徑衰落的環(huán)境時(shí)，更適宜采用圓極化天線傳送信息。文獻(xiàn)[9]提出了一種工作于2.4～2.48 GHz的多層圓極化螺旋吞咽式植入天線，但存在體積較大和加工復(fù)雜等不足。

鑒于此，提出了一種適于人體無(wú)線通信的小型圓極化植入式天線。通過(guò)采用慢波效應(yīng)有效地減小了天線尺寸，天線工作于2.4～2.48 GHz的ISM頻段，當(dāng)安裝在植入式設(shè)備中與體外接收裝置進(jìn)行通信時(shí)，具有抗多徑衰落和靈活的移動(dòng)性等特點(diǎn)。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 慢波效應(yīng)

由天線理論可知，天線可等效為一段均勻傳輸線，如圖1(a)所示的長(zhǎng)為d的均勻傳輸線，端口1和端口2間的相位差為

φ1-φ2=Δφ=βd，

(1)

(2)

其中：C0、L0分別為均勻傳輸線的單位長(zhǎng)度電容和電感；λ、β分別為電磁波在傳輸線中傳播的波長(zhǎng)和傳播常數(shù)。圖1(b)為該段均勻傳輸線的T型等效電路圖。當(dāng)式(1)中兩端口的相位差不變時(shí)，傳播常數(shù)與微帶線長(zhǎng)度呈反比例關(guān)系，因此可通過(guò)增大傳播常數(shù)，實(shí)現(xiàn)天線小型化。這種增大傳播常數(shù)的方法相當(dāng)于加載了慢波結(jié)構(gòu)[10]。

圖1 均勻傳輸線

采用加載慢波結(jié)構(gòu)以增大電磁波的傳播常數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)小型化天線設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)原理如下：

一條高阻抗線將傳輸線與三角形漸變階梯阻抗貼片連接，如圖2(a)所示，圖2(b)為其等效的T型電路。圖2(b)中，C1、L1分別為傳輸線的等效電容和等效電感，C2、L2分別為加載三角形貼片后產(chǎn)生的等效電容和高阻抗線的等效電感。根據(jù)微波工程理論，均勻傳輸線對(duì)應(yīng)二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD矩陣為

(3)

而兩端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的T型網(wǎng)絡(luò)的ABCD矩陣為

(4)

在均勻傳輸線中，有

(5)

將式(5)代入式(4)，可得

(6)

比較式(3)和式(6)，可得

cos(βd)=1-ω2L1C1。

(7)

而對(duì)于加載了慢波結(jié)構(gòu)的T形等效電路，有

(8)

(9)

由于式(9)右邊的分式大于1，從而可得

cos(βd)>cos(kd)。

(10)

這表明在半個(gè)周期內(nèi)，

β

(11)

可見(jiàn)，傳播常數(shù)增大，利用慢波結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天線小型化。

圖2 加載慢波結(jié)構(gòu)的傳輸線

1.2 天線結(jié)構(gòu)

圓極化植入式天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，介質(zhì)基板采用Rogers3010材料，相對(duì)介電常數(shù)εr=10.2，損耗角tanδ=0.003 5。為了減少與附近人體組織的電磁耦合，提高輻射效率，也將該材料作為覆蓋層使用。介質(zhì)基板呈正方形，貼片天線位于介質(zhì)基板上層，基板下層為地。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)沿中心軸線呈左右對(duì)稱，其上下部分蝕刻有箭頭形槽，槽內(nèi)加載有高阻抗線和等腰三角形貼片，引入慢波結(jié)構(gòu)，縮小了天線的整體尺寸；天線的左右部分蝕刻有V形槽，從而延長(zhǎng)了電流的有效路徑，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。為隔離潮濕的人體環(huán)境和避免短路影響，在天線的表面鍍了一層厚度為0.02 mm的生物相容性薄膜，材料采用氧化鋁(εr=9.2，tanδ=0.008)。天線采用單饋結(jié)構(gòu)，饋電點(diǎn)位于天線右上角，經(jīng)HFSS.V13軟件仿真優(yōu)化，得到的天線尺寸為9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具體的參數(shù)值如表1所示。

圖3 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

1.3 仿真模型

將設(shè)計(jì)的天線放至人體組織模型中進(jìn)行仿真，建立3層組織仿真模型，如圖4所示。模型尺寸為50 mm×50 mm×58 mm，包括4 mm厚的皮膚、4 mm厚的脂肪和50 mm厚的肌肉。天線放置在皮膚層，距離皮膚的上表面2 mm。各層人體組織在2.45 GHz頻點(diǎn)處的電特性參數(shù)如表2所示[11]。

圖4 HFSS軟件中3層人體組織仿真模型

表2 人體組織在2.45 GHz頻點(diǎn)處的電特性參數(shù)

經(jīng)仿真優(yōu)化，得到天線在3層人體組織模型的反射系數(shù)和軸比曲線，如圖5所示。從圖5可看出，天線的反射系數(shù)小于-10 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍為2.39～2.57 GHz，故阻抗帶寬為7.2%，天線的軸比小于3 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍為2.39～2.48 GHz，故軸比帶寬為3.7%。

圖5 天線的反射系數(shù)和軸比仿真結(jié)果

圖6為天線在2.45 GHz的輻射方向圖。從圖6可看出，天線具有左旋圓極化特性，左旋圓極化最大增益為-24.8 dBi。

圖6 天線在2.45 GHz的輻射方向圖

2 天線分析

2.1 小型化

根據(jù)慢波效應(yīng)理論，天線的小型化實(shí)現(xiàn)機(jī)制可由如圖7所示的天線演變結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。每個(gè)演變結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)曲線如圖8所示。通過(guò)在方形金屬輻射貼片上蝕刻箭頭形槽，得到如圖7(a)所示的天線1，其諧振頻率約為3.6 GHz。在天線1基礎(chǔ)上，加載高阻抗線和等腰三角形貼片，得到如圖7(b)所示的天線2。通過(guò)引入慢波結(jié)構(gòu)，增加分布電容，增大了傳播常數(shù)，使天線的諧振中心頻率降到了3.16 GHz。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線的小型化，在輻射金屬貼片上蝕刻V形槽，得到如圖7(c)所示的天線3。通過(guò)開(kāi)V形槽，延長(zhǎng)了電流有效路徑，使諧振頻率進(jìn)一步向低頻偏移，諧振在2.51 GHz。

圖7 天線結(jié)構(gòu)的演變

圖8 3種天線演變結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對(duì)比

2.2 圓極化

圓極化特性可通過(guò)天線貼片在2.45 GHz頻點(diǎn)處的電流分布隨時(shí)間變化的情況來(lái)描述，如圖9所示。從圖9可看出，天線在t=0T(T表示周期)時(shí)，電流方向沿負(fù)y軸；當(dāng)t=T/4時(shí)，電流方向沿負(fù)x軸；在一個(gè)周期T內(nèi)，沿x軸和y軸方向的電流交替變換，形成空間正交的分量，經(jīng)過(guò)合理的調(diào)試優(yōu)化，可形成2個(gè)具有幅值相等、相位差為90°的正交分量，合成了圓極化波。由電流方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)可知，天線具有左旋圓極化特性，這與由圖6天線輻射方向圖得到的結(jié)果相符合。

圖9 天線貼片在2.45 GHz處的電流分布

3 天線參數(shù)對(duì)性能的影響

3.1 參數(shù)L3對(duì)天線性能的影響

參數(shù)L3表示慢波結(jié)構(gòu)中的等腰三角形貼片的高，其對(duì)天線性能的影響如圖10所示。從圖10可看出，當(dāng)L3增大時(shí)，天線的諧振頻率和軸比向低頻偏移。為了取得較好的阻抗特性和軸比特性，天線參數(shù)L3=0.6 mm。

圖10 參數(shù)L3對(duì)天線性能的影響

3.2 參數(shù)L4對(duì)天線性能的影響

圖11為參數(shù)L4對(duì)天線性能的影響。從圖11可看出，當(dāng)L4=0.4 mm時(shí)，天線的阻抗性能和軸比性能均較好，當(dāng)L4增大或減小時(shí)，阻抗特性和軸比特性均發(fā)生了不同程度的惡化。因此，天線選定L4=0.4 mm作為最優(yōu)值。

圖11 天線參數(shù)L4對(duì)天線性能的影響

3.3 參數(shù)L5對(duì)天線性能的影響

參數(shù)L5對(duì)天線性能的影響如圖12所示。從圖12可看出，當(dāng)L5增大時(shí)，天線的諧振頻率向低頻偏移。L5的增大使天線的軸比性能最優(yōu)頻點(diǎn)也向低頻移動(dòng)。為了使天線的反射系數(shù)和軸比均能覆蓋2.45 GHz ISM頻段，天線選定L5=6.4 mm作為最優(yōu)值。

圖12 天線參數(shù)L5對(duì)天線性能的影響

3.4 微擾單元對(duì)天線性能的影響

在圖13(a)所示的天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在箭頭形槽的縫隙底部開(kāi)一長(zhǎng)方形槽，形成帶有干擾元的天線結(jié)構(gòu)，如圖13(b)所示。圖14為2種結(jié)構(gòu)的天線性能的比較。從圖14可看出，當(dāng)開(kāi)了長(zhǎng)方形槽，即加載微擾單元后，所需頻段的軸比小于3 dB，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化。

圖13 微擾單元加載前后的天線結(jié)構(gòu)

圖14 微擾單元對(duì)天線性能的影響

4 天線實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

圖15為天線實(shí)物的體外測(cè)試環(huán)境。由于豬肉組織與人體的介電常數(shù)較為接近，采用新鮮豬肉(包含皮膚、脂肪和肌肉層)構(gòu)建天線的體外植入式測(cè)試環(huán)境。由于植入式天線尺寸較小，且在生物體介質(zhì)內(nèi)的損耗較大，遠(yuǎn)場(chǎng)增益較低，不能采用常規(guī)方法直接測(cè)試天線的圓極化增益。參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植入式天線的圓極化特性的驗(yàn)證方法[12]，只需將線極化偶極子作為體外接收天線，被測(cè)天線置于豬肉皮下2 mm處，此時(shí)測(cè)量偶極子在方位角為0°、±45°和90°條件下，S21的數(shù)值差是否小于3 dB來(lái)間接驗(yàn)證植入式天線是否具有圓極化特性。天線的實(shí)測(cè)S參數(shù)如圖16所示。從圖16可看出，天線的實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.32～2.65 GHz，覆蓋了2.45 GHz ISM頻段，相對(duì)于仿真結(jié)果，帶寬更寬，這歸因于豬肉組織的滲透帶來(lái)的損耗以及天線制作和測(cè)量過(guò)程帶來(lái)的誤差。偶極子在固定方位角處測(cè)量得到的S21也顯示于圖16中。從圖16可看出，在2.45 GHz ISM頻段內(nèi)，S21的數(shù)值差均在3 dB以內(nèi)，驗(yàn)證了該植入式天線的圓極化特性。

圖15 天線實(shí)物體外測(cè)試環(huán)境

圖16 天線實(shí)物測(cè)試結(jié)果

5 比吸收率(SAR)與通信鏈路預(yù)算分析

1)考慮到植入式天線的工作環(huán)境是人體內(nèi)部，需要計(jì)算人體組織吸收或耗散電磁輻射能量的強(qiáng)度是否超過(guò)健康安全范圍，從而需要評(píng)估天線在人體的SAR值。當(dāng)所設(shè)計(jì)天線的輸入功率為1 W時(shí)，用軟件仿真得到天線在2.45 GHz頻點(diǎn)處10 g人體組織的最大平均SAR值為29.6 W/kg。為了滿足IEEE C95.1—2005安全標(biāo)準(zhǔn)[13]，經(jīng)計(jì)算，該天線的最大輸入功率不能高于67.56 mW。

2)考慮到植入式天線的遠(yuǎn)場(chǎng)增益較低，需要評(píng)估植入式天線與外部接收天線間的通信效能，故要進(jìn)行通信鏈路預(yù)算分析。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的計(jì)算方法，假設(shè)設(shè)計(jì)的天線輸入功率為-40 dBm，并假設(shè)體外接收天線為極化失配0 dB的圓極化天線。表3為天線通信鏈路預(yù)算的相關(guān)參數(shù)。鏈路余量隨接收天線與發(fā)射天線的距離變化如圖17所示。從圖17可看出，接收天線與發(fā)射天線的距離為6 m時(shí)，天線的鏈路余量仍大于0 dB，因此在6 m通信范圍內(nèi)，可保證無(wú)線通信的可靠性。

表3 天線通信鏈路預(yù)算的相關(guān)參數(shù)

圖17 天線的鏈路余量

表4為設(shè)計(jì)的圓極化植入式天線與現(xiàn)有的一些圓極化植入式天線的性能比較。從表4可看出，本天線在尺寸小型化特性上有較大改進(jìn)，極化純度也有較大提高，同時(shí)，仍能獲得適中的工作帶寬和效率。

表4 圓極化植入式天線性能比較

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于慢波效應(yīng)的小型圓極化植入式天線。通過(guò)在金屬貼片上加載慢波結(jié)構(gòu)和開(kāi)V形槽，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化；采用在貼片上開(kāi)長(zhǎng)方形槽引入微擾單元，實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化。天線覆蓋了2.4 GHz的ISM頻段，總體尺寸為9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具有左旋圓極化的輻射特性。該天線具有小型化、抗干擾強(qiáng)、增益適中等特性，適用于無(wú)線生物醫(yī)療的植入式設(shè)備。