小型化可植入柔性射频天线研究

发布时间：2017-03-30 11:28

  本文关键词：小型化可植入柔性射频天线研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：柔性电子具有可折叠、厚度薄、重量轻、体积小、易共形和制造工艺简单等优点,柔性基板如聚酯、聚乙烯、塑料以及纸张等的价格比较便宜,因此近年来许多科研人员对柔性电子技术开展了大量的研究。在柔性天线的可植入应用中,由于生物组织常常是弯曲的,基于柔性基板的天线相比基于刚性基板的天线能够更好地与生物组织的表面相吻合,因此开展可植入柔性天线和整流天线的研究对柔性电子技术的发展具有重要的意义,可植入柔性天线和整流天线已经成为国内外柔性电子技术研究的热点课题之一。本文针对可植入柔性单极天线和整流天线的小型化、宽带设计技术和生物相容性开展研究,主要研究工作如下:1.基于蜿蜒贴片结构的小型化宽带柔性单极天线的研究针对宽带柔性单极天线的小型化和生物相容性问题,提出了采用聚对二甲苯C(Parylene C)薄膜保护,利用蜿蜒贴片结构在聚酰亚胺薄膜上的单极天线设计方法。该方法利用蜿蜒贴片结构来延长天线表面电流的路径,使天线的谐振频率降低,从而减小天线的体积;采用薄膜有机物基板,提高了天线的可弯曲特性;在天线表面层积具有可靠的电气绝缘性和耐化学腐蚀性的生物相容性Parylene C保形薄膜,使天线具有了较好的生物相容性和适应恶劣环境的能力。采用薄膜工艺制备技术实现了具有Parylene C薄膜保护的宽带柔性单极天线,实验结果表明,基于10μm厚Parylene C涂层的蜿蜒贴片柔性单极天线(尺寸为32 mm×18 mm)的工作频率范围为2.4 GHz~2.484 GHz和3.5 GHz~10.6 GHz,天线回波损耗在弯曲(半径20 mm)和涂覆Parylene C薄膜后的变化很小,弯曲后的天线在2.44 GHz、5.8GHz和10.6 GHz的增益分别为-2.4 dBi、-0.3 dBi和2.4 dBi,测试结果表明具有Parylene C薄膜保护的蜿蜒贴片宽带柔性单极天线可以在弯曲状态下使用。2.基于基片层间平板电容加载的宽带柔性单极天线的研究为进一步减小宽带柔性单极天线的体积,基于电容加载能减小天线尺寸的原理,提出了利用薄基片层间的圆形平板电容加载U形辐射单元的小型化宽带柔性单极天线设计方法,并在馈电微带线与U形辐射单元之间引入两阶阻抗变换器,在宽带范围内改善了天线的输入匹配,该方法具有充分利用平面单极天线基板下表面的空闲面积,从而减小天线体积的特点。基于该方法在聚酰亚胺薄膜上设计了一款柔性单极天线,并在该天线表面层积了10μm厚的Parylene C保护薄膜,天线尺寸为28 mm×18 mm。实验结果表明,基于薄基片层间的圆形平板电容加载的小型化柔性单极天线的工作频率范围为2.4 GHz~2.484 GHz和3.8 GHz~10.6 GHz,天线回波损耗在弯曲(半径20 mm)和涂覆Parylene C薄膜后的变化很小,天线在弯曲时2.44 GHz、5.8 GHz和10.6 GHz的增益分别为-4.0 dBi、-1.0 dBi和-1.3 dBi,可见基于电容加载的柔性单极天线比基于蜿蜒贴片结构的柔性单极天线具有尺寸更小的特点。3.WLAN柔性单极天线的可植入性研究针对宽带柔性单极天线的可植入性问题,提出了一种通过减小辐射单元长度,对柔性天线进行辐射特性和输入匹配的改进设计使其成为可植入天线的改进设计方法。基于电容加载技术,设计了一种Parylene C薄膜保护的矩形平板电容加载的WLAN柔性单极天线,实验结果表明,WLAN柔性单极天线在WLAN的两个频段内都具有较好的全向辐射特性。深入研究了WLAN柔性单极天线在猪肉中的特性,天线在猪肉中的谐振频率和增益都有明显的降低,为提高天线在植入环境中的性能,利用改进设计方法减小U形辐射单元的长度,从而改善了天线在猪肉中的辐射特性和输入匹配,实验结果表明,改进后的天线在2.44 GHz时,增益从-12.9dBi提高到了0.8 dBi,回波损耗从14 dB提高到了18 dB,改进后的天线成为了一种性能较好的可植入天线。4.小型化可植入整流天线的研究针对小型化柔性整流天线设计,提出了一种在超薄液晶聚合物(LCP)基片上设计柔性整流天线的方法。该方法采用50μm厚的双面覆铜基片,可通过普通光刻技术实现,极大地降低了工艺实现难度;此外,基片的减薄进一步减小了天线的尺寸。在不同弯曲状态下的实验结果表明,虽然弯曲状态下柔性整流天线的功率传输效率有一定程度的降低,但是柔性整流天线仍然能够点亮内置的蓝色发光二极管(LED)。基于该设计方法,针对光感基因调控技术的应用需求,在超薄LCP基片上实现了一种2.4 GHz~2.484 GHz小型化可植入整流天线,对放入猪肉中的可植入整流天线的无线功率传输特性研究的结果表明,在远小于规定的人体允许射频照射功率的情况下,小型化可植入整流天线可以点亮内置的蓝色LED。
【关键词】：小型化柔性天线 Parylene C薄膜保护 可植入特性 超宽带技术 液晶聚合物基片
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.44;TN820
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 无线通信及医疗通信频段13-14
• 1.3 国外研究现状14-26
• 1.3.1 柔性天线的国外研究进展15-20
• 1.3.2 可植入天线的国外研究进展20-24
• 1.3.3 可植入整流天线的国外研究进展24-26
• 1.4 国内研究现状26-33
• 1.4.1 柔性天线的国内研究进展27-29
• 1.4.2 可植入天线的国内研究进展29-31
• 1.4.3 可植入整流天线的国内研究进展31-33
• 1.5 论文的主要内容和结构安排33-36
• 第二章 基于蜿蜒贴片结构的宽带柔性单极天线的研究36-59
• 2.1 引言36
• 2.2 单极天线36-40
• 2.2.1 偶极子天线36-39
• 2.2.2 单极天线39-40
• 2.3 电小天线40-43
• 2.3.1 电小天线理论40-42
• 2.3.2 电小天线的设计42-43
• 2.4 平面单极天线43-45
• 2.5 基于蜿蜒贴片结构的宽带柔性单极天线45-58
• 2.5.1 基于蜿蜒贴片结构的宽带柔性单极天线的设计46-50
• 2.5.2 基于蜿蜒贴片结构的宽带柔性单极天线的制作50-51
• 2.5.3 基于蜿蜒贴片结构的宽带柔性单极天线的测试及分析51-58
• 2.6 本章小结58-59
• 第三章 基于平板电容加载的宽带柔性单极天线的研究59-74
• 3.1 引言59
• 3.2 小型化宽带平面单极天线的设计59-63
• 3.3 基于平板电容加载的宽带柔性单极天线63-73
• 3.3.1 基于平板电容加载的宽带柔性单极天线的设计63-67
• 3.3.2 基于平板电容加载的宽带柔性单极天线的测试及分析67-73
• 3.4 本章小结73-74
• 第四章 WLAN柔性单极天线的可植入性研究74-93
• 4.1 引言74
• 4.2 WLAN柔性单极天线的研究74-85
• 4.2.1 WLAN柔性单极天线的设计74-77
• 4.2.2 WLAN柔性单极天线的测试及分析77-85
• 4.3 可植入WLAN柔性单极天线的研究85-91
• 4.3.1 可植入天线的设计85-87
• 4.3.2 可植入WLAN柔性单极天线的设计87-90
• 4.3.3 可植入WLAN柔性单极天线的测试分析90-91
• 4.4 本章小结91-93
• 第五章 小型化可植入柔性整流天线的研究93-123
• 5.1 引言93
• 5.2 柔性整流天线93-106
• 5.2.1 柔性整流天线的设计93-100
• 5.2.2 柔性整流天线的测试与分析100-106
• 5.3 无线光感基因神经调控106-109
• 5.4 可植入柔性整流天线的设计109-117
• 5.4.1 可植入柔性整流天线的设计109-112
• 5.4.2 可植入柔性整流天线的测试及分析112-117
• 5.5 小型化高效率放大器117-121
• 5.5.1 负反馈放大器的工作原理117-119
• 5.5.2 小型化高效率放大器的设计119-121
• 5.5.3 小型化高效率放大器的测试与分析121
• 5.6 本章小结121-123
• 第六章 总结与展望123-127
• 致谢127-128
• 参考文献128-141
• 攻读博士学位期间取得的成果141-143

  本文关键词：小型化可植入柔性射频天线研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：277027