一種應(yīng)用于HBC頻段的新型天線設(shè)計

李洪飛 陳雅莉 張瑩 劉倩倩 宗衛(wèi)華

摘要：? 為了適應(yīng)可植入式醫(yī)療設(shè)備的迅速發(fā)展，本文提出一種應(yīng)用于人體通信頻段（human body communication，HBC）的新型天線。天線形狀設(shè)計為半徑4.8 mm的平面圓形結(jié)構(gòu)，襯底材料使用厚度為0.02 mm的磁性材料，在螺旋結(jié)構(gòu)中添加矩形連接點(diǎn)，并在天線表面覆蓋與襯底材料相同的介質(zhì)薄膜的設(shè)計方法，以拓寬天線的帶寬。同時，為在人體環(huán)境中對天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用HFSS仿真軟件，分析不同圈數(shù)的螺旋貼片、襯底和介質(zhì)薄膜厚度的變化，以及不同數(shù)量的連結(jié)點(diǎn)和不同人體環(huán)境對天線工作性能產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明，本文提出的新型可植入式天線，在人體肌肉環(huán)境下的帶寬為41.8～47.9 MHz，與現(xiàn)有的HBC頻段的可植入式天線相比，本文提出的天線具有帶寬較寬，體積較小等優(yōu)點(diǎn)，可以較好的應(yīng)用于可植入式醫(yī)療設(shè)備中。該研究在醫(yī)療領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：? 植入式天線; HBC頻段; 帶寬; 尺寸小

中圖分類號： TN828.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)療正在向小型化、高效化的方向發(fā)展。引進(jìn)先進(jìn)的植入式醫(yī)療設(shè)備，監(jiān)控人體內(nèi)各種健康指標(biāo)情況，檢測收集人體內(nèi)部疾病信息并傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，使疾病的判斷更加可靠有效的醫(yī)療方式已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)療領(lǐng)域不可或缺的一部分。可植入式天線作為人體內(nèi)外信息的傳輸者，是可植入式醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵部件，常被用來制作顱內(nèi)壓檢測系統(tǒng)[1] 、眼壓監(jiān)測儀[2] 、神經(jīng)記錄儀[3] 、膠囊內(nèi)鏡[4] 等?？芍踩胧教炀€按工作頻段，一般有工業(yè)科學(xué)與醫(yī)療（industrial， scientific， and medical，ISM）頻段天線[4 7] ，醫(yī)療植入通信（medical implant communication services，MICS）頻段天線[8 11] ，人體通信頻段（human body communication，HBC）天線[12 14] 以及多頻段天線[15 18] 。由于植入式醫(yī)療設(shè)備大部分在人體內(nèi)部工作，因此對于可植入式天線的設(shè)計也提出了相應(yīng)的要求，為了減輕病人的吞咽困難，需要天線尺寸精小，材料不能過硬，既要保證工作性能，還要保證具有較寬的帶寬。對于HBC頻段，Y. Peng等人[12] 使用設(shè)計匹配電路的方法減小尺寸，拓寬帶寬，雖然增加了諧振點(diǎn)，但是帶寬還是較窄;J. Wang等人[13] 設(shè)計了立體螺旋形狀的天線，雖然帶寬有所增加，但立體化形狀給病人的吞咽帶來困難。目前，大部分可植入式天線采用硬質(zhì)材料作為天線的襯底，常用的有rogers系列板材[19 21] ，采用rogers系列板材雖然可以使天線擁有較寬的帶寬，但是質(zhì)地過硬，植入人體會帶來不適感。為了解決這些問題，本文提出一種新型可植入式天線，采用20 μ m質(zhì)地輕薄的磁性材料，平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，表面覆蓋一層相同材料的介質(zhì)材料。添加介質(zhì)層可以有效拓寬天線的帶寬[11，22] ，在有較寬帶寬的情況下，有效的減少尺寸，并且與其他硬質(zhì)材料相比，磁性材料質(zhì)地更加輕柔，更易于吞咽。仿真結(jié)果表明，該天線可以工作在HBC頻段，適應(yīng)于目前可植入式醫(yī)療設(shè)備。本文提出的天線結(jié)構(gòu)簡單，不需要設(shè)計匹配電路，減少了制作的工藝流程。

1 天線結(jié)構(gòu)與仿真環(huán)境分析

新型天線采用圓形襯底，襯底半徑ra =4.8 mm，厚度w=20 μ m。輻射貼片采用螺旋設(shè)計，圈數(shù)n=12，線寬為0.3 mm，在螺旋結(jié)構(gòu)a1～a5位置處，增加5個矩形連結(jié)片。螺旋設(shè)計在使天線諧振頻率降低的同時，可以最大限度的減小天線尺寸，地面部分設(shè)計在天線的背面，采用與襯底半徑相同的圓形銅片。天線襯底采用磁性材料（εr=13），在天線表面覆蓋一層與襯底相同材料的介質(zhì)層，其厚度s=20 μ m。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計立方體形狀的人體環(huán)境，并用肌肉填充，介電常數(shù)εr=77.1，電導(dǎo)率σ=0.68，尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，將天線放置于人體環(huán)境正中心位置。在實際測試中，一般將天線放在配制溶液或者肉餡中進(jìn)行模擬人體的測試， 為了防止短路問題，一般會在天線表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)，為了使仿真更接近于實際情況，仿真時在天線表面覆蓋一層厚度為13 μ m的塑料薄膜，介電常數(shù)為3。人體環(huán)境與天線相對位置如圖2所示。

2 天線性能分析

當(dāng)螺旋圈數(shù)n不同時，天線|S11 |的變化曲線如圖3所示。增加線圈的數(shù)量，可以使天線的諧振點(diǎn)往低頻移動，但是太多的螺旋會導(dǎo)致天線尺寸過大、制作困難等問題，所以選擇合適的螺旋數(shù)量是螺旋天線設(shè)計時應(yīng)考量的問題。分別取螺旋數(shù)量n為9，10，11，12。當(dāng)n=9時，天線的諧振點(diǎn)為88 MHz，帶寬為83.5～93 MHz;當(dāng)n=10時，天線的諧振點(diǎn)為65.3 MHz，帶寬為61.8～70 MHz;當(dāng)n=11時，天線的諧振點(diǎn)為53.9 MHz，帶寬為50.1～57.2 MHz;當(dāng)n=12時，諧振點(diǎn)為44.3 MHz，帶寬為41.8～47.9 MHz。由圖3可以看出，當(dāng)n=12為最優(yōu)值時， 既可以使天線工作在HBC頻段，又可以使天線尺寸保持最小。在加介質(zhì)層與不加介質(zhì)層兩種情況下，天線有無介質(zhì)層時|S11 |曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)天線不加介質(zhì)層時，諧振點(diǎn)在52.96 MHz，帶寬為50.6～56.3 MHz，在HBC頻段沒有帶寬;當(dāng)天線加上介質(zhì)層時，天線諧振點(diǎn)移動到低頻44.3 MHz，帶寬為41.8～47.9 MHz，可以在HBC頻段工作，說明加介質(zhì)層可以有效地減小天線的諧振頻率。

天線|S11 |隨介質(zhì)厚度s變化曲線如圖5所示。當(dāng)s分別取0.1，0.08，0.06，0.04，0.02 mm時，s變化時天線的電磁特性如表1所示。由表1可以看出，當(dāng)介質(zhì)層厚度增加時，天線的諧振點(diǎn)略微向低頻率移動，帶寬沒有發(fā)生明顯變化，說明在0.02 mm

天線|S11 |隨襯底厚度變化時的回波損耗曲線如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)天線的襯底厚度為0.1，0.08，0.06 mm時，天線在HBC頻段沒有帶寬出現(xiàn)，當(dāng)取0.04 mm時，天線的諧振點(diǎn)為45 MHz，帶寬為42.7～48.5 MHz;當(dāng)取0.02 mm時，天線的諧振點(diǎn)為44.3 MHz，帶寬為41.8～47.9 MHz，說明磁性襯底的厚度對天線影響較大，在實際制作中，要把襯底厚度的誤差控制在0.02 mm之內(nèi)。

可植入式醫(yī)療設(shè)備可用于人體的各個器官，因此研究不同人體器官對天線工作性能產(chǎn)生的影響是天線設(shè)計中應(yīng)考量的問題。天線在不同人體器官中的|S11 |曲線如圖7所示，由圖7可以看出，天線在皮膚、肌肉、胃、小腸等人體器官中，帶寬和諧振點(diǎn)幾乎不發(fā)生變化，能在HBC頻段正常工作。

在實際測試中，精確控制塑料薄膜的厚度有一定難度，所以仿真分析了當(dāng)塑料膜厚度p分別為0.013， 0.02，0.03，0.04 mm時對天線產(chǎn)生的影響，天線|S11 | 隨塑料厚度變化如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著塑料膜厚度的增加，天線的諧振點(diǎn)和帶寬幾乎保持不變，說明塑料厚度對天線影響較小。

兩個貼片的天線結(jié)構(gòu)如圖9所示，分別在圖9中b1和b2兩個位置加上矩形貼片。天線|S11 |回波損耗曲線如圖10所示，由圖10可以看出，天線第一個諧振點(diǎn)在44.3 MHz，帶寬為41.5～7.8 MHz;天線第二個諧振點(diǎn)在99 MHz，帶寬為92～107 MHz。

一個貼片時的天線結(jié)構(gòu)如圖11所示，在圖11中的c1處加上矩形貼片。天線|S11 |的回波損耗曲線如圖12所示，由圖12可以看出，天線的諧振點(diǎn)在44.3 MHz，帶寬為42～47 MHz。第二個諧振點(diǎn)在99 MHz，帶寬為92～111 MHz。

對天線電磁特性進(jìn)行比較，矩形貼片數(shù)量不同時天線的電磁特性如表2所示，由表2可以看出，當(dāng)貼片數(shù)量為5時，天線在HBC頻段的帶寬最寬為41.8～47.9 MHz。本文與文獻(xiàn)中的天線比較如表3所示，由表3可以看出，與文獻(xiàn)＼[13 14＼]中的天線相比，本文提出的天線具有更小的尺寸，同時保持了寬帶的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

本文采用平面螺旋結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種可以工作在HBC頻段新型結(jié)構(gòu)的可植入式天線，采用螺旋結(jié)構(gòu)中間設(shè)計矩形連結(jié)片和在表面覆蓋介質(zhì)層的方法，拓寬天線的帶寬。分析了當(dāng)螺旋結(jié)構(gòu)圈數(shù)變化時，介質(zhì)與襯底厚度變化及貼片數(shù)量變化時的天線|S11 |曲線變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，該新型可植入式天線，在人體肌肉環(huán)境下的帶寬為41.8～47.9 MHz，為天線的制作測試提供理論依據(jù)。本文提出的天線可以在肌肉，皮膚，小腸，胃等部位中保持在HBC頻段的寬帶特性，但是對天線的制作精度要求較高。研究證明，采用高損耗的介質(zhì)材料可以有效地拓寬低頻帶天線的帶寬， 對可植入式天線的設(shè)計具有較大的參考價值。與現(xiàn)有的HBC頻段的天線相比較，具有尺寸較小，帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地應(yīng)用于各種可植入式醫(yī)療設(shè)備。

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A Novel Antenna for HBC Band

LI Hongfei， CHEN Yali， ZHANG Ying， LIU qianqian， ZONE Weihua

（College of Electronic Information， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? In order to adapt to the rapid development of implantable medical devices， this paper proposes a new type of antenna applied to the human body communication frequency band （human body communication， HBC）. The antenna shape is designed as a flat circular structure with a radius of 4.8 mm. The substrate material uses a magnetic material with a thickness of 0.02 mm. A rectangular connection point is added to the spiral structure. The antenna surface is covered with the same dielectric film as the substrate material to broaden the bandwidth of the antenna. At the same time， in order to optimize the design of the antenna design in the human environment， the HFSS simulation software is used to analyze the changes in the thickness of spiral patch， substrate and dielectric film with different turns， as well as the different number of connection points and different human environment on the antenna performance. The simulation results show that the new implantable antenna proposed in this paper has a bandwidth of 41.8 47.9 MHz in a human muscle environment. Compared with the existing implantable antennas in HBC frequency band， the antenna proposed in this paper has a wider bandwidth， small size and other advantages， which can be better used in implantable medical equipment. This research has good application prospects in the medical field.

Key words： implantable antenna; HBC-band; bandwidth; small size