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可植入的双频环形天线设计

Alireza Akbarpour, Somayyeh Chamaani

摘要：最近，采用低功率植入的离体通信系统使用了医疗植入通信服务(MICS)频段以及工业、科学和医疗(ISM)频段。在这些系统中，MICS频段和ISM频段(2.45 GHz)分别被用于数据传输和信号唤醒。这种极大地延长电池使用寿命的双频操作，迫使设计者在植入和离体方面都使用双频天线。在这项研究中，我们提出了一种双频植入的电耦合环形天线。这种天线作为双频段平面倒F天线，是一种天生具有低近区电场的磁性天线，可以在体内产生低比吸收速率(SAR)。该天线通过使用集总电容器来变得小型化。尽管只有5 times; 5 times; 3 mmsup3;的大小，但其模拟的1g平均比吸收率（SAR）比报道的双频植入天线在两个频段都要小，这使得被推荐的天线在植入应用方面成为一种理想的候选天线。

一、介绍

最近，在医疗监测和治疗领域，有发展前景的植入系统均被提及。由于是在体内安置，功耗便成为了这些系统的瓶颈。为了增加电池的使用寿命，事件驱动设备被建议增设一个唤醒信号。例如，Zarlink开发了一种双频段医疗收发器，如[1]中:MICS频段（402-405 MHz)，用于数据遥测；ISM频段（2.45 GHz)，用于唤醒控制器。因此，将双频天线应用于植入和基站两个方面是十分必要的。在我们最近的一篇文章中，我们提出了一种可以应用于离体基站的双频段天线[2]。在本文中，一种适用于植入方面的双频段天线也同样被提出。

双频植入天线是许多研究工作的主题[3-13]。在[3-11]中天线的尺寸对于植入应用来说还不够小。而[12-13]中的天线很小，但它们会在体内产生较高的SAR。这种由小天线产生的尺寸和SAR的对比行为是电天线的固有特性，而小磁性天线能在附近区域提供一个低电场，并因此产生低的SAR[14]。在[15]中，一种具有对偶平面倒置天线(PIFA)的单频段电耦合环形天线(ECLA)由于其尺寸小、比吸收率低的特点，而被提出来作为植入应用的一种良好候选材料。

本文提出了一种基于PIFA的双频段ECLA，用于MICS和ISM两个频带。集总电容器被用于将设备小型化，这样得到的天线尺寸为5 times; 5 times; 3 mmsup3;。仿真结果显示了一个可以接受的阻抗匹配（ lt; -9.5）以及一个对两个频带来说都可以接受的比吸收率。然而，由于我们实验室制造设备的限制，我们设计和制作的另一个无集总电容器的天线，其仿真结果和测量结果的吻合情况良好。

本文的其余部分如下：第二节主要介绍天线的设计，第三节给出了仿真和测量结果，最后，第四节则对本文做出了总结。

二、设计

在描述双频段ECLA天线的设计过程之前，我们对单频段ECLA辐射机理的探索已有了深刻见解。在本节中，首先，我们对单频段ECLA和PIFA之间的对偶性进行了描述。在下一个阶段，双频ECLA则会在双频带PIFA基础上以一种直观的方式被提出。最后，本文给出了双频段ECLA的一些设计准则。

i：单频段ECLA与单频段PIFA的对偶关系：正如[14]所描述的，单频段ECLA是PIFA的另一部分。PIFA是一种带有短路引脚的开路低阻抗传输线，由一个同轴探针馈电（图1）。因此，PIFA的对立面(即ECLA)是一种短路的高阻抗传输线（开路低阻抗传输线的对立面），它由一个电容耦合（感应同轴探头的双立面）和一种分布式电容器（短路针的对立面）来进行馈电。这种结构(以高阻抗传输线的组合来作为电感器和分布电容器）)模拟了一个分布式LC谐振器，其中，它的谐振频率由天线尺寸(L，W和h)以及回路和地面平面之间的分布式电容（ts，ws和）确定(图2)。而输入阻抗（tp，wp和）则可以通过给头尺寸馈电来调节。我们还可以通过在回路和接地平面之间添加一个集总电容或者用铁素体填充回路内部空间来将天线小型化[15]。

ii：双带PIFA与双带ECLA的对偶性：关于PIFA和ECLA之间的对偶性，双频ECLA可以由双频PIFA创造出来。实现双频段PIFA的传统方法之一就是“缩放”天线尺寸中以波长表示的地方。在图3中可以看到这样一个双频段PIFA的结构图。为了利用双频PIFA和双频ECLA之间的对偶性，带有电容耦合的第二短路高阻抗传输线应该被添加到图4中看起来像“L”部分的单频段结构之中。类似于单频段ECLA，另一个集总电容器()也可以用于微型化。

iii：双频ECLA设计程序：由于与MICS频带相关的尺寸被限制,我们开始用MICS频段辐射器设计程序。MICS频段的共振频率则通过使用单频段ECLA(L，W，h，，)的参数来进行调谐。如预期的一样，这些参数的增大，导致了等效LC电路的电感或电容的增加，并因此使得MICS频带共振频率减小。

图1：单频PIFA

图2：单频ECLA

图3：双频PIFA的结构图

图4：双频ECLA

图5：h_I的变化对MICS和ISM频段的共振频率的影响

图6：的变化对MICS和ISM频段的共振频率的影响

表1：身体组织在MICS和ISM频段的电特性

在下一阶段，ISM频带的谐振频率通过使用双频带ECLA中的参数(、、)和来进行调谐。我们的研究参数表明，增加形如“L”的结构的高度可以提高电感，同时也可以减小ISM频段的分布式LC电路的电容。然而，电感增大使得电容减小，进而使得ISM频段的共振频率降低(图5)。如图6所示，的变化对ISM频带的谐振频率具有非单调性的影响。

是降低谐振频率的一个非常有效参数，它可以增加MICS和ISM的共振频率。所以，如果被用于调谐ISM频段的谐振频率，那么MICS频带谐振频率的失谐量就应该由其他参数如h或来进行补偿。

在这两个频带中，我们均可以通过调整馈电头参数（、和）和馈电位置来进行阻抗匹配。

植入天线的一个非常必要部分就是生物相容性绝缘层。除了可以提高植入天线的辐射效率和功率传输外，由于人体组织的高导电性，该绝缘层还可以防止金属氧化和短路效应[16]。尺寸和绝缘材料的类型对该天线的影响的调查结果在[ 15 ]中进行了展示。在本文中,该天线周围有聚四氟乙烯绝缘层，并且我们用尺寸为100 times; 100 times; 100 mmsup3;的肌肉层模拟了身体组织。其中肌肉组织的电特性列于表1之中。

明显地,一种更紧凑的植入天线更适合于植入应用。然而，由于小天线的Chu极限定理，天线的极端小型化通常会减少天线的带宽。在低功耗无线植入传感器节点中，唤醒码的典型数据速率为100 kb/s[17],并且MICS频段的数据速率是小于300 Kb/s的。因此，几兆赫兹的带宽是足够ISM和MICS频带使用的。这些小的带宽限制也使得天线小型化更容易。在下一节，两个不同尺寸的天线也将会被设计出来。

三、结果

在本节中我们设计了所提出的双频带ECLA的两个原型。首先第一个，1号天线，采用集总电容实现小型化（thinsp;=thinsp;26.5 pf，thinsp;=thinsp;2.84 pf）。第二个，2号天线，由于没有使用集总电容器，因而它有较大的尺寸。这些天线的几何参数列于表2中。由于缺乏制造1号天线所必需的精密微加工设备，因而只有2号天线被制造了出来。在2号天线中，为了方便程序制作以及避免一些不准确的弯曲，我们使用了三个介质层，并在其上印制了水平金属部件（如图7）。在图7中，灰色层是厚度为1.6mm的FR-4，其介质参数为4；白色层是厚度为0.5 mm的RO4003，其介质参数为3.37。制造出来的天线如图8a中所示。在测量时，我们用一层新鲜的牛肉模仿了体模（如图8 b）。未经包装的2号天线如图8c所示，的结果如图9所示。可以看出，模拟和测量之间有很好的一致性。其中1号天线的带宽分别为2.8 MHz和7.1 MHz。此外，一个关于本次工作中所提供天线的比吸收率、带宽、尺寸和增益与文献中报道的天线的相关参数的对比结果如表3所示。从中我们可以发现，1号天线展示了一个非常小的尺寸，一个具有足够带宽的低SAR以及一个可以接受的增益。图10向我们展示了2号天线在肌肉组织中的远场模拟图案。

图7：2号天线结构图

图8：2号天线的制造

1. 在自由空间，(b)在肉类中，(c)未经包装的天线

图9：实测和模拟的反射系数

1. 低频，（b）高频

图10：不同条件下的模拟辐射图案

(a)phi;=90，MICS频段，(b)phi;=0，MICS频段，(c)phi;=90，ISM频段，(d)phi;=0，ISM频段

表2：天线参数

表3：本文天线与以往天线的对比