基于慢波效应的小型圆极化植入式天线设计

范 艺， 黎济铭， 刘雄英

(1.广东技术师范大学 电子与信息学院,广州 510665；2.华南理工大学 电子与信息学院,广州 510640)

随着生物医学技术的迅速发展，植入式医疗设备逐渐成为生物医学遥测的核心领域[1]，这些设备可以广泛地应用于人体的神经记录[2]和血糖监测[3]等方面。植入式天线能将人体的生理数据进行无线传输，是人体内植入式设备与体外接收装置进行无线通信的关键，其通常工作于ISM频段，频段范围有433.1～434.8 MHz、902～928 MHz和2.4～2.48 GHz，同时也能工作于医疗植入通信服务频段(402～405 MHz)和无线医疗遥测服务频段(1 395～1 400 MHz)。由于植入式天线一般工作在有耗、空间有限的复杂人体环境中，设计时需要考虑小型化、生物兼容性、比吸收率(SAR)、远场增益等因素。

近年来，一些文献提出了应用于人体通信的植入式天线[4-8]。文献[4]提出了一种多层平面倒F结构的三频段植入式天线，该天线采用了3层结构，且面积较大。文献[5]设计了一种差分馈电的双波段柔性植入式天线。以上天线都是线性极化，不能保证体内发射天线与外部接收器的电磁波方向的独立性。当人体移动或处于多径衰落的环境时，更适宜采用圆极化天线传送信息。文献[9]提出了一种工作于2.4～2.48 GHz的多层圆极化螺旋吞咽式植入天线，但存在体积较大和加工复杂等不足。

鉴于此，提出了一种适于人体无线通信的小型圆极化植入式天线。通过采用慢波效应有效地减小了天线尺寸，天线工作于2.4～2.48 GHz的ISM频段，当安装在植入式设备中与体外接收装置进行通信时，具有抗多径衰落和灵活的移动性等特点。

1 天线设计

1.1 慢波效应

由天线理论可知，天线可等效为一段均匀传输线，如图1(a)所示的长为d的均匀传输线，端口1和端口2间的相位差为

φ1-φ2=Δφ=βd，

(1)

(2)

其中：C0、L0分别为均匀传输线的单位长度电容和电感；λ、β分别为电磁波在传输线中传播的波长和传播常数。图1(b)为该段均匀传输线的T型等效电路图。当式(1)中两端口的相位差不变时，传播常数与微带线长度呈反比例关系，因此可通过增大传播常数，实现天线小型化。这种增大传播常数的方法相当于加载了慢波结构[10]。

图1 均匀传输线

采用加载慢波结构以增大电磁波的传播常数的方法，实现小型化天线设计。实现原理如下：

一条高阻抗线将传输线与三角形渐变阶梯阻抗贴片连接，如图2(a)所示，图2(b)为其等效的T型电路。图2(b)中，C1、L1分别为传输线的等效电容和等效电感，C2、L2分别为加载三角形贴片后产生的等效电容和高阻抗线的等效电感。根据微波工程理论，均匀传输线对应二端口网络的ABCD矩阵为

(3)

而两端口网络对应的T型网络的ABCD矩阵为

(4)

在均匀传输线中，有

(5)

将式(5)代入式(4)，可得

(6)

比较式(3)和式(6)，可得

cos(βd)=1-ω2L1C1。

(7)

而对于加载了慢波结构的T形等效电路，有

(8)

(9)

由于式(9)右边的分式大于1，从而可得

cos(βd)>cos(kd)。

(10)

这表明在半个周期内，

β

(11)

可见，传播常数增大，利用慢波结构可以实现天线小型化。

图2 加载慢波结构的传输线

1.2 天线结构

圆极化植入式天线结构如图3所示，介质基板采用Rogers3010材料，相对介电常数εr=10.2，损耗角tanδ=0.003 5。为了减少与附近人体组织的电磁耦合，提高辐射效率，也将该材料作为覆盖层使用。介质基板呈正方形，贴片天线位于介质基板上层，基板下层为地。整个天线结构沿中心轴线呈左右对称，其上下部分蚀刻有箭头形槽，槽内加载有高阻抗线和等腰三角形贴片，引入慢波结构，缩小了天线的整体尺寸；天线的左右部分蚀刻有V形槽，从而延长了电流的有效路径，进一步实现了天线的小型化。为隔离潮湿的人体环境和避免短路影响，在天线的表面镀了一层厚度为0.02 mm的生物相容性薄膜，材料采用氧化铝(εr=9.2，tanδ=0.008)。天线采用单馈结构，馈电点位于天线右上角，经HFSS.V13软件仿真优化，得到的天线尺寸为9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具体的参数值如表1所示。

图3 天线结构

表1 天线结构参数mm

1.3 仿真模型

将设计的天线放至人体组织模型中进行仿真，建立3层组织仿真模型，如图4所示。模型尺寸为50 mm×50 mm×58 mm，包括4 mm厚的皮肤、4 mm厚的脂肪和50 mm厚的肌肉。天线放置在皮肤层，距离皮肤的上表面2 mm。各层人体组织在2.45 GHz频点处的电特性参数如表2所示[11]。

图4 HFSS软件中3层人体组织仿真模型

表2 人体组织在2.45 GHz频点处的电特性参数

经仿真优化，得到天线在3层人体组织模型的反射系数和轴比曲线，如图5所示。从图5可看出，天线的反射系数小于-10 dB时所对应的频率范围为2.39～2.57 GHz，故阻抗带宽为7.2%，天线的轴比小于3 dB时所对应的频率范围为2.39～2.48 GHz，故轴比带宽为3.7%。

图5 天线的反射系数和轴比仿真结果

图6为天线在2.45 GHz的辐射方向图。从图6可看出，天线具有左旋圆极化特性，左旋圆极化最大增益为-24.8 dBi。

图6 天线在2.45 GHz的辐射方向图

2 天线分析

2.1 小型化

根据慢波效应理论，天线的小型化实现机制可由如图7所示的天线演变结构加以说明。每个演变结构对应的反射系数曲线如图8所示。通过在方形金属辐射贴片上蚀刻箭头形槽，得到如图7(a)所示的天线1，其谐振频率约为3.6 GHz。在天线1基础上，加载高阻抗线和等腰三角形贴片，得到如图7(b)所示的天线2。通过引入慢波结构，增加分布电容，增大了传播常数，使天线的谐振中心频率降到了3.16 GHz。为了进一步实现天线的小型化，在辐射金属贴片上蚀刻V形槽，得到如图7(c)所示的天线3。通过开V形槽，延长了电流有效路径，使谐振频率进一步向低频偏移，谐振在2.51 GHz。

图7 天线结构的演变

图8 3种天线演变结构的仿真结果对比

2.2 圆极化

圆极化特性可通过天线贴片在2.45 GHz频点处的电流分布随时间变化的情况来描述，如图9所示。从图9可看出，天线在t=0T(T表示周期)时，电流方向沿负y轴；当t=T/4时，电流方向沿负x轴；在一个周期T内，沿x轴和y轴方向的电流交替变换，形成空间正交的分量，经过合理的调试优化，可形成2个具有幅值相等、相位差为90°的正交分量，合成了圆极化波。由电流方向为顺时针旋转可知，天线具有左旋圆极化特性，这与由图6天线辐射方向图得到的结果相符合。

图9 天线贴片在2.45 GHz处的电流分布

3 天线参数对性能的影响

3.1 参数L3对天线性能的影响

参数L3表示慢波结构中的等腰三角形贴片的高，其对天线性能的影响如图10所示。从图10可看出，当L3增大时，天线的谐振频率和轴比向低频偏移。为了取得较好的阻抗特性和轴比特性，天线参数L3=0.6 mm。

图10 参数L3对天线性能的影响

3.2 参数L4对天线性能的影响

图11为参数L4对天线性能的影响。从图11可看出，当L4=0.4 mm时，天线的阻抗性能和轴比性能均较好，当L4增大或减小时，阻抗特性和轴比特性均发生了不同程度的恶化。因此，天线选定L4=0.4 mm作为最优值。

图11 天线参数L4对天线性能的影响

3.3 参数L5对天线性能的影响

参数L5对天线性能的影响如图12所示。从图12可看出，当L5增大时，天线的谐振频率向低频偏移。L5的增大使天线的轴比性能最优频点也向低频移动。为了使天线的反射系数和轴比均能覆盖2.45 GHz ISM频段，天线选定L5=6.4 mm作为最优值。

图12 天线参数L5对天线性能的影响

3.4 微扰单元对天线性能的影响

在图13(a)所示的天线结构基础上，在箭头形槽的缝隙底部开一长方形槽，形成带有干扰元的天线结构，如图13(b)所示。图14为2种结构的天线性能的比较。从图14可看出，当开了长方形槽，即加载微扰单元后，所需频段的轴比小于3 dB，实现了天线的圆极化。

图13 微扰单元加载前后的天线结构

图14 微扰单元对天线性能的影响

4 天线实测结果与分析

图15为天线实物的体外测试环境。由于猪肉组织与人体的介电常数较为接近，采用新鲜猪肉(包含皮肤、脂肪和肌肉层)构建天线的体外植入式测试环境。由于植入式天线尺寸较小，且在生物体介质内的损耗较大，远场增益较低，不能采用常规方法直接测试天线的圆极化增益。参考国内外学者对植入式天线的圆极化特性的验证方法[12]，只需将线极化偶极子作为体外接收天线，被测天线置于猪肉皮下2 mm处，此时测量偶极子在方位角为0°、±45°和90°条件下，S21的数值差是否小于3 dB来间接验证植入式天线是否具有圆极化特性。天线的实测S参数如图16所示。从图16可看出，天线的实测阻抗带宽为2.32～2.65 GHz，覆盖了2.45 GHz ISM频段，相对于仿真结果，带宽更宽，这归因于猪肉组织的渗透带来的损耗以及天线制作和测量过程带来的误差。偶极子在固定方位角处测量得到的S21也显示于图16中。从图16可看出，在2.45 GHz ISM频段内，S21的数值差均在3 dB以内，验证了该植入式天线的圆极化特性。

图15 天线实物体外测试环境

图16 天线实物测试结果

5 比吸收率(SAR)与通信链路预算分析

1)考虑到植入式天线的工作环境是人体内部，需要计算人体组织吸收或耗散电磁辐射能量的强度是否超过健康安全范围，从而需要评估天线在人体的SAR值。当所设计天线的输入功率为1 W时，用软件仿真得到天线在2.45 GHz频点处10 g人体组织的最大平均SAR值为29.6 W/kg。为了满足IEEE C95.1—2005安全标准[13]，经计算，该天线的最大输入功率不能高于67.56 mW。

2)考虑到植入式天线的远场增益较低，需要评估植入式天线与外部接收天线间的通信效能，故要进行通信链路预算分析。根据文献[14]的计算方法，假设设计的天线输入功率为-40 dBm，并假设体外接收天线为极化失配0 dB的圆极化天线。表3为天线通信链路预算的相关参数。链路余量随接收天线与发射天线的距离变化如图17所示。从图17可看出，接收天线与发射天线的距离为6 m时，天线的链路余量仍大于0 dB，因此在6 m通信范围内，可保证无线通信的可靠性。

表3 天线通信链路预算的相关参数

图17 天线的链路余量

表4为设计的圆极化植入式天线与现有的一些圆极化植入式天线的性能比较。从表4可看出，本天线在尺寸小型化特性上有较大改进，极化纯度也有较大提高，同时，仍能获得适中的工作带宽和效率。

表4 圆极化植入式天线性能比较

6 结束语

设计了一种基于慢波效应的小型圆极化植入式天线。通过在金属贴片上加载慢波结构和开V形槽，实现了天线的小型化；采用在贴片上开长方形槽引入微扰单元，实现了天线的圆极化。天线覆盖了2.4 GHz的ISM频段，总体尺寸为9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具有左旋圆极化的辐射特性。该天线具有小型化、抗干扰强、增益适中等特性，适用于无线生物医疗的植入式设备。