新型共面波導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 宗衛華

摘要： 為了減輕無線植入設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（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天線進行優化設計，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，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律，并在尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉人體模型中進行仿真。仿真結果表明，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、科學和醫療（industrial，scientific and medical，ISM）頻段，而且具有體積小、質量輕、帶寬寬的特性。該研究在植入醫療設備中具有較好的應用價值。

關鍵詞： 植入式天線; ISM頻段; 帶寬; 共面波導; 柔性天線; 人體組織

中圖分類號： TN822? 文獻標識碼： A

隨著無線通信和醫療電子學的發展，在醫療領域中出現很多采用無線通信技術的可植入醫療設備，比如膠囊內視鏡[13] 、血糖檢測儀[45]、眼壓監測儀[67]等。可植入設備的使用，為病人的醫療和檢測提供了便利?？芍踩胩炀€可以將信號從體內傳遞到體外，因此在醫療設備中具有重要作用。目前，許多天線襯底材料都選用羅杰斯系列[811]，因為羅杰斯板材損耗低，制作出的天線效率高，但羅杰斯存在板材較厚，且為硬質材料的缺陷。因此，使用薄的柔性材料作為襯底，可使設計出的天線小而輕[1214]，且天線易共形。共面波導饋電天線是一種具有寬頻帶和小尺寸的天線，其廣泛應用于小型天線的設計[1516]中。此外，還有一些較復雜的多層天線結構[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，且結構更加復雜。為了減輕可植入設備植入人體內部引起不舒適性，需要每個部件的體積和重量盡可能小，同時也要求天線的尺寸和重量盡可能小，所以目前熱點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的饋電寬度。該天線具有結構簡單，體積小，重量輕的優點，在不同的組織內均可保持穩定的帶寬。該研究在醫療領域中具有較好的應用前景。

1 天線設計

1.1 天線配置和模擬設置

天線襯底材料選為聚酰亞胺，其厚度hsub = 20 μm，相對介電常數為33。由CPW饋電，輻射貼片是由圓形和矩形組成的混合狀。對植入式天線的測試，常用的方法是將天線放置在豬肉餡內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人體內部的天線性能影響較大。為模擬接近實際測量環境，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置t2 =4 μm厚的空氣縫隙。天線結構圖如圖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，當頻率為2.45 GHz時，皮膚、小腸和胃的介電常數和電導率分別為：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。說明當天線在這些組織中工作時，可以保持穩定的頻率帶寬。

當天線外層的絕緣膜具有不同厚度t1時，天線?隨絕緣膜厚度t1變化曲線如圖5所示;當空氣縫隙厚度t2變化時，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影響很大，說明在測量過程中絕緣厚度和空氣縫隙厚度可能對天線帶寬有較大影響。

1.3 參數分析

天線隨矩形貼片位置變化曲線如圖7所示。當p值大時，表示矩形貼片的位置較低;當p值小時，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。說明當矩形貼片靠近混合形狀縫隙的上邊緣時，會獲得更長的電流分布路徑，但在圖7中p = 0 mm時，天線帶寬明顯比p = 1.2 mm時要窄。因此，選擇12 mm作為p的優化值。

天線 ?隨圓拐角半徑變化曲線如圖8所示。當圓角r1的半徑變化時，|S11| 發生相應變化;當r1 = 0時表示直角，r1> 0表示圓角。由圖8可以看出，當r1 = 1 mm時與直角（r1 = 0 mm）時的 |S11| 曲線相似。但r1較大（1.5，2 mm）時，|S11| 的變化很大。當r1 = 1.5 mm時，天線諧振頻率向左移位減少，|S11| 帶寬較寬。當r1 = 2 mm時，在整個頻帶上 |S11| > -10 dB。因此，選擇1.5 mm作為優化的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r0較小時，諧振頻率較低，這是因為電流主要分布在天線右側區域，較小的r0導致右側部分區域較大。由于當r0 = 2.5 mm時，天線具有最寬帶寬，所以作為最優值。

天線 隨左側矩形高度變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出，矩形的高度變化會影響天線帶寬寬度，當h2 = 3 mm時，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行仿真。天線3D在體內增益方向圖如圖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。

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

3 結束語

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天線帶寬影響較小，為了節省計算時間可適當減小人體模型，而且對 |S11|隨絕緣膜厚度和空氣縫隙厚度變化規律進行了分析，并分析了天線尺寸對帶寬的影響。該研究為植入天線的設計與測試提供了參考。

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