新型共面波導(dǎo)饋電柔性縫隙型可植入天線研究

丁宇星 李鵬 薛鵬飛 常劭龍 宗衛(wèi)華

摘要： 為了減輕無線植入設(shè)備中植入天線所引起的不適性，本文提出了一種新型共面波導(dǎo)（coplanar waveguide，CPW）饋電的縫隙型可植入天線，天線襯底為20 μm厚聚酰亞胺柔性材料。采用電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線尺寸為11 mm×13 mm，天線在肌肉中的帶寬為177～294 GHz，最大增益為-227 dBi。同時(shí)，分析了天線帶寬隨著人體模型尺寸、絕緣膜厚度、空氣縫隙厚度以及不同人體組織中的的變化規(guī)律，并在尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉人體模型中進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，天線在肌肉、皮膚、小腸、胃等多種人體組織中均保持寬帶特性，可以覆蓋工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（industrial，scientific and medical，ISM）頻段，而且具有體積小、質(zhì)量輕、帶寬寬的特性。該研究在植入醫(yī)療設(shè)備中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 植入式天線; ISM頻段; 帶寬; 共面波導(dǎo); 柔性天線; 人體組織

中圖分類號(hào)： TN822? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著無線通信和醫(yī)療電子學(xué)的發(fā)展，在醫(yī)療領(lǐng)域中出現(xiàn)很多采用無線通信技術(shù)的可植入醫(yī)療設(shè)備，比如膠囊內(nèi)視鏡[13] 、血糖檢測(cè)儀[45]、眼壓監(jiān)測(cè)儀[67]等?？芍踩朐O(shè)備的使用，為病人的醫(yī)療和檢測(cè)提供了便利。可植入天線可以將信號(hào)從體內(nèi)傳遞到體外，因此在醫(yī)療設(shè)備中具有重要作用。目前，許多天線襯底材料都選用羅杰斯系列[811]，因?yàn)榱_杰斯板材損耗低，制作出的天線效率高，但羅杰斯存在板材較厚，且為硬質(zhì)材料的缺陷。因此，使用薄的柔性材料作為襯底，可使設(shè)計(jì)出的天線小而輕[1214]，且天線易共形。共面波導(dǎo)饋電天線是一種具有寬頻帶和小尺寸的天線，其廣泛應(yīng)用于小型天線的設(shè)計(jì)[1516]中。此外，還有一些較復(fù)雜的多層天線結(jié)構(gòu)[1719]，此類天線雖有效的減小了天線的尺寸，但增大了天線的重量和厚度，且結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為了減輕可植入設(shè)備植入人體內(nèi)部引起不舒適性，需要每個(gè)部件的體積和重量盡可能小，同時(shí)也要求天線的尺寸和重量盡可能小，所以目前熱點(diǎn)研究是天線的小型化?；诖?，本文提出了一種工作在ISM頻段，可在不同組織中保持穩(wěn)定帶寬的植入式天線。天線采用20 μm的柔性襯底，CPW饋電以獲得寬帶寬和適當(dāng)?shù)酿侂妼挾?。該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，在不同的組織內(nèi)均可保持穩(wěn)定的帶寬。該研究在醫(yī)療領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線配置和模擬設(shè)置

天線襯底材料選為聚酰亞胺，其厚度hsub = 20 μm，相對(duì)介電常數(shù)為33。由CPW饋電，輻射貼片是由圓形和矩形組成的混合狀。對(duì)植入式天線的測(cè)試，常用的方法是將天線放置在豬肉餡內(nèi)部或者液體狀的仿制人體組織中。為了避免天線短路，在天線表面包裹塑料袋等絕緣材料，但天線和絕緣材料之間可能存在空氣縫隙，絕緣厚度和空氣縫隙對(duì)人體內(nèi)部的天線性能影響較大。為模擬接近實(shí)際測(cè)量環(huán)境，本研究采用厚度為t1 =2 μm的塑料薄膜，并在天線和塑料薄膜之間設(shè)置t2 =4 μm厚的空氣縫隙。天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 天線性能

天線在不同組織中的 變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)頻率為2.45 GHz時(shí)，皮膚、小腸和胃的介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為：εr = 38和σ = 1.46，εr = 54.42和σ = 3.17，εr= 62.16和σ = 2.21 [20]。天線在肌肉中的帶寬是1.77～2.94 GHz，在皮膚中的帶寬是1.89～3.18 GHz，在小腸中的帶寬是1.77～2.91 GHz，在胃中的帶寬是1.70～2.79 GHz。每種情況下，天線覆蓋ISM頻段。說明當(dāng)天線在這些組織中工作時(shí)，可以保持穩(wěn)定的頻率帶寬。

當(dāng)天線外層的絕緣膜具有不同厚度t1時(shí)，天線?隨絕緣膜厚度t1變化曲線如圖5所示;當(dāng)空氣縫隙厚度t2變化時(shí)，天線隨空氣縫隙厚度t2變化曲線如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，絕緣厚度和空氣縫隙厚度對(duì)影響很大，說明在測(cè)量過程中絕緣厚度和空氣縫隙厚度可能對(duì)天線帶寬有較大影響。

1.3 參數(shù)分析

天線隨矩形貼片位置變化曲線如圖7所示。當(dāng)p值大時(shí)，表示矩形貼片的位置較低;當(dāng)p值小時(shí)，表示矩形貼片的位置較高。由圖7可以看出，天線的諧振頻率隨著p值的減小而向左移動(dòng)。說明當(dāng)矩形貼片靠近混合形狀縫隙的上邊緣時(shí)，會(huì)獲得更長(zhǎng)的電流分布路徑，但在圖7中p = 0 mm時(shí)，天線帶寬明顯比p = 1.2 mm時(shí)要窄。因此，選擇12 mm作為p的優(yōu)化值。

天線 ?隨圓拐角半徑變化曲線如圖8所示。當(dāng)圓角r1的半徑變化時(shí)，|S11| 發(fā)生相應(yīng)變化;當(dāng)r1 = 0時(shí)表示直角，r1> 0表示圓角。由圖8可以看出，當(dāng)r1 = 1 mm時(shí)與直角（r1 = 0 mm）時(shí)的 |S11| 曲線相似。但r1較大（1.5，2 mm）時(shí)，|S11| 的變化很大。當(dāng)r1 = 1.5 mm時(shí)，天線諧振頻率向左移位減少，|S11| 帶寬較寬。當(dāng)r1 = 2 mm時(shí)，在整個(gè)頻帶上 |S11| > -10 dB。因此，選擇1.5 mm作為優(yōu)化的r1值。

天線隨圓形貼片半徑變化曲線如圖9所示，由圖9可以看出，當(dāng)r0較小時(shí)，諧振頻率較低，這是因?yàn)殡娏髦饕植荚谔炀€右側(cè)區(qū)域，較小的r0導(dǎo)致右側(cè)部分區(qū)域較大。由于當(dāng)r0 = 2.5 mm時(shí)，天線具有最寬帶寬，所以作為最優(yōu)值。

天線 隨左側(cè)矩形高度變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出，矩形的高度變化會(huì)影響天線帶寬寬度，當(dāng)h2 = 3 mm時(shí)，天線具有最寬的帶寬。

2 輻射方向圖

本研究在尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉的人體模型中進(jìn)行仿真。天線3D在體內(nèi)增益方向圖如圖11所示，由圖11可以看出，天線的最大增益為-227 dBi;在xoy、xoz和yoz面上，天線2D增益方向圖如圖12所示，由圖12可以看出，天線輻射具有指向性，主波束指向-y方向。

將本文天線與文獻(xiàn)中天線的性能進(jìn)行對(duì)比，天線尺寸和帶寬對(duì)比如表1所示。由表1可以看出，本文天線比文獻(xiàn)[819]中的天線尺寸要小，并且具有寬的帶寬。

3 結(jié)束語

本文提出了一種在ISM頻段工作的新型柔性天線，所提出的天線-10 dB的帶寬為177～294 GHz。仿真結(jié)果表明，天線在肌肉、皮膚、小腸和胃等組織中都能覆蓋ISM頻帶。文中給出了天線? 隨人體模型尺寸變化曲線，人體模型體積的變化對(duì)天線帶寬影響較小，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間可適當(dāng)減小人體模型，而且對(duì) |S11|隨絕緣膜厚度和空氣縫隙厚度變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并分析了天線尺寸對(duì)帶寬的影響。該研究為植入天線的設(shè)計(jì)與測(cè)試提供了參考。

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