植入式医疗设备的圆极化天线研究

发布时间：2020-10-28 11:34

　　 世界人口老龄化和工作节奏的加快,人们的健康意识在不断提高,研制便捷的人体植入式医疗设备已成为学术界的热点。相对于传统的体外传感器而言,在人体内部的植入式医疗设备能够更加精确方便地获取人体生理、病理数据。作为植入式医疗设备中的关键器件之一,植入式天线可将生物传感器检测到的生理信号无线发送到体外设备。圆极化天线可以有效解决传统体内外线极化天线之间的极化失配而需要对准放置的问题,并能提高抗多径干扰能力。本论文由国家自然科学基金(No.61372008)、广东省科技计划(No.2014A010103014,No.2015B010101006)等项目的资助,研究植入式医疗设备的圆极化天线。主要工作内容有:1)单频小型宽带圆极化植入式天线:在分析了圆极化植入式天线在体内外通信具有的特殊优势情况下,设计了一款工作在915-MHz ISM频段的小型圆极化植入式天线。通过在方形辐射贴片中心对称地加载十字缝隙,实现了天线的小型化。通过对称地引入两个短路探针,实现了宽带化。通过引入箭头形状的缝隙单元,实现了天线的圆极化。最终天线尺寸为13 mm×13 mm×0.635 mm,具有低剖面的特点,阻抗带宽为0.743–1.07GHz(35.4%),3-dB轴比带宽为0.863–1 GHz(14.7%)。考虑到人体特殊的工作环境,本研究分别建立了结构较简单的人体模型和高精度的人体模型。为了降低植入式设备的功耗,延长其使用周期,本文进一步设计了一款植入式双频天线。2)差分馈电双频双圆极化植入式天线:天线通过在双环内部加载三角形贴片产生了慢波效应,使低频段谐振频率极大降低,实现了天线小型化,同时这种双环内部的加载产生了高频谐振,实现了双频特性,最终覆盖了915-MHz ISM频段(用于数据通信)和2.45-GHz ISM频段(用于状态控制)。这种双频特性允许植入式设备待机状态处于睡眠模式以降低功耗,通信时可通过高频段发送唤醒信号使其进入工作模式。通过调节双环和加载单元的形状和尺寸,可以实现双频段的圆极化特性。此外差分馈电技术的采用使得天线能够直接地与植入式医疗设备中的差分集成电路连接,提高了系统集成度和抗干扰能力。天线尺寸为18 mm×9 mm×0.635 mm,具有低剖面的特点,在低频段的阻抗带宽为795–1110 MHz(33%),3-dB轴比带宽为859–960 MHz(11.1%),在高频段的阻抗带宽为2.36–2.58 GHz(8.9%),3-dB轴比带宽为2.29–2.5 GHz(8.7%)。文中详细分析了天线的工作原理,研究了关键参数对天线性能的影响,分析了天线的辐射性能、SAR以及通信链路预算等。最后对天线进行了实物制备,实际测量结果与数值仿真结果基本吻合,验证了理论设计的准确性。其研究成果已经在国际会议IEEE International Conference on Computational Electromagnetics(ICCEM)上宣读。3)应用于无线胶囊内窥镜系统的圆极化天线:在上述双频双圆极化天线的基础上通过本文所提出的三层模型转换方法,将平面结构天线转换为新型的三维胶囊共形天线。本文详细阐述了三层模型转换方法和胶囊天线的设计步骤。胶囊尺寸为11.4 mm×26mm(直径×长度),天线厚度为0.6 mm。最终设计的胶囊天线不仅是个辐射器,同时也是整个胶囊系统的机械封装层和电磁屏蔽层,形成一种自封装结构。最后分析了胶囊天线的辐射性能。本文所研制植入式圆极化天线具有小型化、宽带化、低功耗等特性,且能抗多径干扰,在生物医学遥测的植入式医疗设备中具有较好的应用前景。希望通过本文的圆极化天线研究,能为植入式天线设计提供参考。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH77
【部分图文】：

第一章 绪论究背景及意义着社会人口老龄化日益严重、亚健康人群不断增加等社会现象的出现受到人们的关注。现阶段社会医疗服务水平仍需进一步提升以满足消疗资源匮乏和分配不均等现状也促使人们提出了多种具有前景的医例如医疗护理无线人体局域网系统，其整体结构如图 1-1 所示，其中息可以通过网关与医院、护理院、家庭网络和大数据平台进行通信，或移动医疗等应用[1]。作为整个通信网络的重要组成部分，无线eless BodyArea Network，WBAN）是实现这些医疗应用的关键技术。中心的，由和人体相关的各种网络元素组成的短距离无线通信技术[2,的设备主要分为植入式传感器节点和可穿戴传感器节点。

此设计一款性能良好的圆极化天线具有一定的难度。目前国内外对植入式圆极化天线的研究较少，直到最近几年才出现相关文献报道。2014 年新加坡国立大学 Y. X. Guo 教授的团队提出了一款工作在2.45-GHz ISM 频段的多层介质基板的小型螺旋圆极化天线[12如图 1-2（a）所示，天线采用多层高介电常数的罗杰斯介质基板，型号为 RO3010，每层介质基板厚 0.635 mm，并通过金属过孔连接各层基板上的开口环金属结构，形成堆叠式的螺旋立体结构，产生轴向模式的行波辐射。天线总大小为 π × （5.5 mm）2× 0.63mm。通过调节各层介质基板上开口环贴片的半径和开口大小以获得足够大的阻抗带宽和轴比带宽，最终实现了 33.3%的轴比带宽。通过仿真软件得到的 S 参数与轴比参数如图 1-2（b）所示。作者也研究了其他电子元件对天线性能的影响，以及天线植入到人体不同部位的性能变化。天线实测是将天线放入模拟人体组织的液体模型中进行测量的由于植入式天线增益非常小，作者通过测量植入式天线和体外天线之间的传输系数 S2随体外天线的旋转引起的变化量来间接验证天线的圆极化性能。

（a） （b）图 1-3 容性加载圆极化植入式天线（a）天线结构（b）天线反射系数和轴比曲线上述植入式圆极化天线的不足之处是轴比带宽较窄，Y. X. Guo 教授的团队继15 年提出了另一种应用于生物医学遥测的小型圆极化天线[14]。作者指出，由于天线在实际工作中很难与外部天线保持一个固定的角度并且很多情况下需要确的移动性，因此研究圆极化植入式天线具有重要的意义。如图 1-4 所示，该天线
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本文编号：2860034