新型共面波导馈电柔性缝隙型可植入天线研究

丁宇星 李鹏 薛鹏飞 常劭龙 宗卫华

摘要： 为了减轻无线植入设备中植入天线所引起的不适性，本文提出了一种新型共面波导（coplanar waveguide，CPW）馈电的缝隙型可植入天线，天线衬底为20 μm厚聚酰亚胺柔性材料。采用电磁仿真软件对天线进行优化设计，得到天线尺寸为11 mm×13 mm，天线在肌肉中的带宽为177～294 GHz，最大增益为-227 dBi。同时，分析了天线带宽随着人体模型尺寸、绝缘膜厚度、空气缝隙厚度以及不同人体组织中的的变化规律，并在尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉人体模型中进行仿真。仿真结果表明，天线在肌肉、皮肤、小肠、胃等多种人体组织中均保持宽带特性，可以覆盖工业、科学和医疗（industrial，scientific and medical，ISM）频段，而且具有体积小、质量轻、带宽宽的特性。该研究在植入医疗设备中具有较好的应用价值。

关键词： 植入式天线; ISM频段; 带宽; 共面波导; 柔性天线; 人体组织

中图分类号： TN822  文献标识码： A

随着无线通信和医疗电子学的发展，在医疗领域中出现很多采用无线通信技术的可植入医疗设备，比如胶囊内视镜[13] 、血糖检测仪[45]、眼压监测仪[67]等。可植入设备的使用，为病人的医疗和检测提供了便利。可植入天线可以将信号从体内传递到体外，因此在医疗设备中具有重要作用。目前，许多天线衬底材料都选用罗杰斯系列[811]，因为罗杰斯板材损耗低，制作出的天线效率高，但罗杰斯存在板材较厚，且为硬质材料的缺陷。因此，使用薄的柔性材料作为衬底，可使设计出的天线小而轻[1214]，且天线易共形。共面波导馈电天线是一种具有宽频带和小尺寸的天线，其广泛应用于小型天线的设计[1516]中。此外，还有一些较复杂的多层天线结构[1719]，此类天线虽有效的减小了天线的尺寸，但增大了天线的重量和厚度，且结构更加复杂。为了减轻可植入设备植入人体内部引起不舒适性，需要每个部件的体积和重量尽可能小，同时也要求天线的尺寸和重量尽可能小，所以目前热点研究是天线的小型化。基于此，本文提出了一种工作在ISM频段，可在不同组织中保持稳定带宽的植入式天线。天线采用20 μm的柔性衬底，CPW馈电以获得宽带宽和适当的馈电宽度。该天线具有结构简单，体积小，重量轻的优点，在不同的组织内均可保持稳定的带宽。该研究在医疗领域中具有较好的应用前景。

1 天线设计

1.1 天线配置和模拟设置

天线衬底材料选为聚酰亚胺，其厚度hsub = 20 μm，相对介电常数为33。由CPW馈电，辐射贴片是由圆形和矩形组成的混合状。对植入式天线的测试，常用的方法是将天线放置在猪肉馅内部或者液体状的仿制人体组织中。为了避免天线短路，在天线表面包裹塑料袋等绝缘材料，但天线和绝缘材料之间可能存在空气缝隙，绝缘厚度和空气缝隙对人体内部的天线性能影响较大。为模拟接近实际测量环境，本研究采用厚度为t1 =2 μm的塑料薄膜，并在天线和塑料薄膜之间设置t2 =4 μm厚的空气缝隙。天线结构图如图1所示。

1.2 天线性能

天线在不同组织中的 变化曲线如图4所示。由图4可以看出，当频率为2.45 GHz时，皮肤、小肠和胃的介电常数和电导率分别为：εr = 38和σ = 1.46，εr = 54.42和σ = 3.17，εr= 62.16和σ = 2.21 [20]。天线在肌肉中的带宽是1.77～2.94 GHz，在皮肤中的带宽是1.89～3.18 GHz，在小肠中的带宽是1.77～2.91 GHz，在胃中的带宽是1.70～2.79 GHz。每种情况下，天线覆盖ISM频段。说明当天线在这些组织中工作时，可以保持稳定的频率带宽。

当天线外层的绝缘膜具有不同厚度t1时，天线 随绝缘膜厚度t1变化曲线如图5所示;当空气缝隙厚度t2变化时，天线随空气缝隙厚度t2变化曲线如图6所示。由图5和图6可以看出，绝缘厚度和空气缝隙厚度对影响很大，说明在测量过程中绝缘厚度和空气缝隙厚度可能对天线带宽有较大影响。

1.3 参数分析

天线随矩形贴片位置变化曲线如图7所示。当p值大时，表示矩形贴片的位置较低;当p值小时，表示矩形贴片的位置较高。由图7可以看出，天线的谐振频率随着p值的减小而向左移动。说明当矩形贴片靠近混合形状缝隙的上边缘时，会获得更长的电流分布路径，但在图7中p = 0 mm时，天线带宽明显比p = 1.2 mm时要窄。因此，选择12 mm作为p的优化值。

天线  随圆拐角半径变化曲线如图8所示。当圆角r1的半径变化时，|S11| 发生相应变化;当r1 = 0时表示直角，r1> 0表示圓角。由图8可以看出，当r1 = 1 mm时与直角（r1 = 0 mm）时的 |S11| 曲线相似。但r1较大（1.5，2 mm）时，|S11| 的变化很大。当r1 = 1.5 mm时，天线谐振频率向左移位减少，|S11| 带宽较宽。当r1 = 2 mm时，在整个频带上 |S11| > -10 dB。因此，选择1.5 mm作为优化的r1值。

天线随圆形贴片半径变化曲线如图9所示，由图9可以看出，当r0较小时，谐振频率较低，这是因为电流主要分布在天线右侧区域，较小的r0导致右侧部分区域较大。由于当r0 = 2.5 mm时，天线具有最宽带宽，所以作为最优值。

天线 随左侧矩形高度变化曲线如图10所示。由图10可以看出，矩形的高度变化会影响天线带宽宽度，当h2 = 3 mm时，天线具有最宽的带宽。

2 辐射方向图

本研究在尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉的人体模型中进行仿真。天线3D在体内增益方向图如图11所示，由图11可以看出，天线的最大增益为-227 dBi;在xoy、xoz和yoz面上，天线2D增益方向图如图12所示，由图12可以看出，天线辐射具有指向性，主波束指向-y方向。

将本文天线与文献中天线的性能进行对比，天线尺寸和带宽对比如表1所示。由表1可以看出，本文天线比文献[819]中的天线尺寸要小，并且具有宽的带宽。

3 结束语

本文提出了一种在ISM频段工作的新型柔性天线，所提出的天线-10 dB的带宽为177～294 GHz。仿真结果表明，天线在肌肉、皮肤、小肠和胃等组织中都能覆盖ISM频带。文中给出了天线  随人体模型尺寸变化曲线，人体模型体积的变化对天线带宽影响较小，为了节省计算时间可适当减小人体模型，而且对 |S11|随绝缘膜厚度和空气缝隙厚度变化规律进行了分析，并分析了天线尺寸对带宽的影响。该研究为植入天线的设计与测试提供了参考。

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