一种应用于HBC频段的新型天线设计

李洪飞 陈雅莉 张莹 刘倩倩 宗卫华

摘要：  为了适应可植入式医疗设备的迅速发展，本文提出一种应用于人体通信频段（human body communication，HBC）的新型天线。天线形状设计为半径4.8 mm的平面圆形结构，衬底材料使用厚度为0.02 mm的磁性材料，在螺旋结构中添加矩形连接点，并在天线表面覆盖与衬底材料相同的介质薄膜的设计方法，以拓宽天线的带宽。同时，为在人体环境中对天线进行优化设计，采用HFSS仿真软件，分析不同圈数的螺旋贴片、衬底和介质薄膜厚度的变化，以及不同数量的连结点和不同人体环境对天线工作性能产生的影響。仿真结果表明，本文提出的新型可植入式天线，在人体肌肉环境下的带宽为41.8～47.9 MHz，与现有的HBC频段的可植入式天线相比，本文提出的天线具有带宽较宽，体积较小等优点，可以较好的应用于可植入式医疗设备中。该研究在医疗领域具有较好的应用前景。

关键词：  植入式天线; HBC频段; 带宽; 尺寸小

中图分类号： TN828.4  文献标识码： A

随着医疗技术的发展，生物医疗正在向小型化、高效化的方向发展。引进先进的植入式医疗设备，监控人体内各种健康指标情况，检测收集人体内部疾病信息并传输到外部设备，使疾病的判断更加可靠有效的医疗方式已经成为当前医疗领域不可或缺的一部分。可植入式天线作为人体内外信息的传输者，是可植入式医疗设备的关键部件，常被用来制作颅内压检测系统[1] 、眼压监测仪[2] 、神经记录仪[3] 、胶囊内镜[4] 等。可植入式天线按工作频段，一般有工业科学与医疗（industrial， scientific， and medical，ISM）频段天线[4 7] ，医疗植入通信（medical implant communication services，MICS）频段天线[8 11] ，人体通信频段（human body communication，HBC）天线[12 14] 以及多频段天线[15 18] 。由于植入式医疗设备大部分在人体内部工作，因此对于可植入式天线的设计也提出了相应的要求，为了减轻病人的吞咽困难，需要天线尺寸精小，材料不能过硬，既要保证工作性能，还要保证具有较宽的带宽。对于HBC频段，Y. Peng等人[12] 使用设计匹配电路的方法减小尺寸，拓宽带宽，虽然增加了谐振点，但是带宽还是较窄;J. Wang等人[13] 设计了立体螺旋形状的天线，虽然带宽有所增加，但立体化形状给病人的吞咽带来困难。目前，大部分可植入式天线采用硬质材料作为天线的衬底，常用的有rogers系列板材[19 21] ，采用rogers系列板材虽然可以使天线拥有较宽的带宽，但是质地过硬，植入人体会带来不适感。为了解决这些问题，本文提出一种新型可植入式天线，采用20 μ m质地轻薄的磁性材料，平面结构设计，表面覆盖一层相同材料的介质材料。添加介质层可以有效拓宽天线的带宽[11，22] ，在有较宽带宽的情况下，有效的减少尺寸，并且与其他硬质材料相比，磁性材料质地更加轻柔，更易于吞咽。仿真结果表明，该天线可以工作在HBC频段，适应于目前可植入式医疗设备。本文提出的天线结构简单，不需要设计匹配电路，减少了制作的工艺流程。

1 天线结构与仿真环境分析

新型天线采用圆形衬底，衬底半径ra =4.8 mm，厚度w=20 μ m。辐射贴片采用螺旋设计，圈数n=12，线宽为0.3 mm，在螺旋结构a1～a5位置处，增加5个矩形连结片。螺旋设计在使天线谐振频率降低的同时，可以最大限度的减小天线尺寸，地面部分设计在天线的背面，采用与衬底半径相同的圆形铜片。天线衬底采用磁性材料（εr=13），在天线表面覆盖一层与衬底相同材料的介质层，其厚度s=20 μ m。天线结构如图1所示。

设计立方体形状的人体环境，并用肌肉填充，介电常数εr=77.1，电导率σ=0.68，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，将天线放置于人体环境正中心位置。在实际测试中，一般将天线放在配制溶液或者肉馅中进行模拟人体的测试， 为了防止短路问题，一般会在天线表面覆盖一层绝缘介质，为了使仿真更接近于实际情况，仿真时在天线表面覆盖一层厚度为13 μ m的塑料薄膜，介电常数为3。人体环境与天线相对位置如图2所示。

2 天线性能分析

当螺旋圈数n不同时，天线|S11 |的变化曲线如图3所示。增加线圈的数量，可以使天线的谐振点往低频移动，但是太多的螺旋会导致天线尺寸过大、制作困难等问题，所以选择合适的螺旋数量是螺旋天线设计时应考量的问题。分别取螺旋数量n为9，10，11，12。当n=9时，天线的谐振点为88 MHz，带宽为83.5～93 MHz;当n=10时，天线的谐振点为65.3 MHz，带宽为61.8～70 MHz;当n=11时，天线的谐振点为53.9 MHz，带宽为50.1～57.2 MHz;当n=12时，谐振点为44.3 MHz，带宽为41.8～47.9 MHz。由图3可以看出，当n=12为最优值时， 既可以使天线工作在HBC频段，又可以使天线尺寸保持最小。在加介质层与不加介质层两种情况下，天线有无介质层时|S11 |曲线如图4所示。

由图4可以看出，当天线不加介质层时，谐振点在52.96 MHz，带宽为50.6～56.3 MHz，在HBC频段没有带宽;当天线加上介质层时，天线谐振点移动到低频44.3 MHz，带宽为41.8～47.9 MHz，可以在HBC频段工作，说明加介质层可以有效地减小天线的谐振频率。

天线|S11 |随介质厚度s变化曲线如图5所示。当s分别取0.1，0.08，0.06，0.04，0.02 mm时，s变化时天线的电磁特性如表1所示。由表1可以看出，当介质层厚度增加时，天线的谐振点略微向低频率移动，带宽没有发生明显变化，说明在0.02 mm

天线|S11 |随衬底厚度变化时的回波损耗曲线如图6所示。由图6可以看出，当天线的衬底厚度为0.1，0.08，0.06 mm时，天线在HBC频段没有带宽出现，当取0.04 mm时，天线的谐振点为45 MHz，带宽为42.7～48.5 MHz;当取0.02 mm时，天线的谐振点为44.3 MHz，带宽为41.8～47.9 MHz，说明磁性衬底的厚度对天线影响较大，在实际制作中，要把衬底厚度的误差控制在0.02 mm之内。

可植入式医疗设备可用于人体的各个器官，因此研究不同人体器官对天线工作性能产生的影响是天线设计中应考量的问题。天线在不同人体器官中的|S11 |曲线如图7所示，由图7可以看出，天线在皮肤、肌肉、胃、小肠等人体器官中，带宽和谐振点几乎不发生变化，能在HBC频段正常工作。

在实际测试中，精确控制塑料薄膜的厚度有一定难度，所以仿真分析了当塑料膜厚度p分别为0.013， 0.02，0.03，0.04 mm时对天线产生的影响，天线|S11 | 随塑料厚度变化如图8所示。

由图8可以看出，随着塑料膜厚度的增加，天线的谐振点和带宽几乎保持不变，说明塑料厚度对天线影响较小。

两个贴片的天线结构如图9所示，分别在图9中b1和b2两个位置加上矩形贴片。天线|S11 |回波损耗曲线如图10所示，由图10可以看出，天线第一个谐振点在44.3 MHz，带宽为41.5～7.8 MHz;天线第二个谐振点在99 MHz，带宽为92～107 MHz。

一个贴片时的天线结构如图11所示，在图11中的c1处加上矩形贴片。天线|S11 |的回波损耗曲线如图12所示，由图12可以看出，天线的谐振点在44.3 MHz，带宽为42～47 MHz。第二个谐振点在99 MHz，带宽为92～111 MHz。

对天线电磁特性进行比较，矩形贴片数量不同时天线的电磁特性如表2所示，由表2可以看出，当贴片数量为5时，天线在HBC频段的带宽最宽为41.8～47.9 MHz。本文与文献中的天线比较如表3所示，由表3可以看出，与文献＼[13 14＼]中的天线相比，本文提出的天线具有更小的尺寸，同时保持了宽带的优点。

3 结束语

本文采用平面螺旋结构，设计了一种可以工作在HBC频段新型结构的可植入式天线，采用螺旋结构中间设计矩形连结片和在表面覆盖介质层的方法，拓宽天线的带宽。分析了当螺旋结构圈数变化时，介质与衬底厚度变化及贴片数量变化时的天线|S11 |曲线变化规律。仿真结果表明，该新型可植入式天线，在人体肌肉环境下的带宽为41.8～47.9 MHz，为天线的制作测试提供理论依据。本文提出的天线可以在肌肉，皮肤，小肠，胃等部位中保持在HBC频段的宽帶特性，但是对天线的制作精度要求较高。研究证明，采用高损耗的介质材料可以有效地拓宽低频带天线的带宽， 对可植入式天线的设计具有较大的参考价值。与现有的HBC频段的天线相比较，具有尺寸较小，带宽较宽等优点，可以更好地应用于各种可植入式医疗设备。

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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