基于慢波效應的小型圓極化植入式天線設計

范 藝， 黎濟銘， 劉雄英

(1.廣東技術師范大學 電子與信息學院,廣州 510665；2.華南理工大學 電子與信息學院,廣州 510640)

隨著生物醫學技術的迅速發展，植入式醫療設備逐漸成為生物醫學遙測的核心領域[1]，這些設備可以廣泛地應用于人體的神經記錄[2]和血糖監測[3]等方面。植入式天線能將人體的生理數據進行無線傳輸，是人體內植入式設備與體外接收裝置進行無線通信的關鍵，其通常工作于ISM頻段，頻段范圍有433.1～434.8 MHz、902～928 MHz和2.4～2.48 GHz，同時也能工作于醫療植入通信服務頻段(402～405 MHz)和無線醫療遙測服務頻段(1 395～1 400 MHz)。由于植入式天線一般工作在有耗、空間有限的復雜人體環境中，設計時需要考慮小型化、生物兼容性、比吸收率(SAR)、遠場增益等因素。

近年來，一些文獻提出了應用于人體通信的植入式天線[4-8]。文獻[4]提出了一種多層平面倒F結構的三頻段植入式天線，該天線采用了3層結構，且面積較大。文獻[5]設計了一種差分饋電的雙波段柔性植入式天線。以上天線都是線性極化，不能保證體內發射天線與外部接收器的電磁波方向的獨立性。當人體移動或處于多徑衰落的環境時，更適宜采用圓極化天線傳送信息。文獻[9]提出了一種工作于2.4～2.48 GHz的多層圓極化螺旋吞咽式植入天線，但存在體積較大和加工復雜等不足。

鑒于此，提出了一種適于人體無線通信的小型圓極化植入式天線。通過采用慢波效應有效地減小了天線尺寸，天線工作于2.4～2.48 GHz的ISM頻段，當安裝在植入式設備中與體外接收裝置進行通信時，具有抗多徑衰落和靈活的移動性等特點。

1 天線設計

1.1 慢波效應

由天線理論可知，天線可等效為一段均勻傳輸線，如圖1(a)所示的長為d的均勻傳輸線，端口1和端口2間的相位差為

φ1-φ2=Δφ=βd，

(1)

(2)

其中：C0、L0分別為均勻傳輸線的單位長度電容和電感；λ、β分別為電磁波在傳輸線中傳播的波長和傳播常數。圖1(b)為該段均勻傳輸線的T型等效電路圖。當式(1)中兩端口的相位差不變時，傳播常數與微帶線長度呈反比例關系，因此可通過增大傳播常數，實現天線小型化。這種增大傳播常數的方法相當于加載了慢波結構[10]。

圖1 均勻傳輸線

采用加載慢波結構以增大電磁波的傳播常數的方法，實現小型化天線設計。實現原理如下：

一條高阻抗線將傳輸線與三角形漸變階梯阻抗貼片連接，如圖2(a)所示，圖2(b)為其等效的T型電路。圖2(b)中，C1、L1分別為傳輸線的等效電容和等效電感，C2、L2分別為加載三角形貼片后產生的等效電容和高阻抗線的等效電感。根據微波工程理論，均勻傳輸線對應二端口網絡的ABCD矩陣為

(3)

而兩端口網絡對應的T型網絡的ABCD矩陣為

(4)

在均勻傳輸線中，有

(5)

將式(5)代入式(4)，可得

(6)

比較式(3)和式(6)，可得

cos(βd)=1-ω2L1C1。

(7)

而對于加載了慢波結構的T形等效電路，有

(8)

(9)

由于式(9)右邊的分式大于1，從而可得

cos(βd)>cos(kd)。

(10)

這表明在半個周期內，

β

(11)

可見，傳播常數增大，利用慢波結構可以實現天線小型化。

圖2 加載慢波結構的傳輸線

1.2 天線結構

圓極化植入式天線結構如圖3所示，介質基板采用Rogers3010材料，相對介電常數εr=10.2，損耗角tanδ=0.003 5。為了減少與附近人體組織的電磁耦合，提高輻射效率，也將該材料作為覆蓋層使用。介質基板呈正方形，貼片天線位于介質基板上層，基板下層為地。整個天線結構沿中心軸線呈左右對稱，其上下部分蝕刻有箭頭形槽，槽內加載有高阻抗線和等腰三角形貼片，引入慢波結構，縮小了天線的整體尺寸；天線的左右部分蝕刻有V形槽，從而延長了電流的有效路徑，進一步實現了天線的小型化。為隔離潮濕的人體環境和避免短路影響，在天線的表面鍍了一層厚度為0.02 mm的生物相容性薄膜，材料采用氧化鋁(εr=9.2，tanδ=0.008)。天線采用單饋結構，饋電點位于天線右上角，經HFSS.V13軟件仿真優化，得到的天線尺寸為9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具體的參數值如表1所示。

圖3 天線結構

表1 天線結構參數mm

1.3 仿真模型

將設計的天線放至人體組織模型中進行仿真，建立3層組織仿真模型，如圖4所示。模型尺寸為50 mm×50 mm×58 mm，包括4 mm厚的皮膚、4 mm厚的脂肪和50 mm厚的肌肉。天線放置在皮膚層，距離皮膚的上表面2 mm。各層人體組織在2.45 GHz頻點處的電特性參數如表2所示[11]。

圖4 HFSS軟件中3層人體組織仿真模型

表2 人體組織在2.45 GHz頻點處的電特性參數

經仿真優化，得到天線在3層人體組織模型的反射系數和軸比曲線，如圖5所示。從圖5可看出，天線的反射系數小于-10 dB時所對應的頻率范圍為2.39～2.57 GHz，故阻抗帶寬為7.2%，天線的軸比小于3 dB時所對應的頻率范圍為2.39～2.48 GHz，故軸比帶寬為3.7%。

圖5 天線的反射系數和軸比仿真結果

圖6為天線在2.45 GHz的輻射方向圖。從圖6可看出，天線具有左旋圓極化特性，左旋圓極化最大增益為-24.8 dBi。

圖6 天線在2.45 GHz的輻射方向圖

2 天線分析

2.1 小型化

根據慢波效應理論，天線的小型化實現機制可由如圖7所示的天線演變結構加以說明。每個演變結構對應的反射系數曲線如圖8所示。通過在方形金屬輻射貼片上蝕刻箭頭形槽，得到如圖7(a)所示的天線1，其諧振頻率約為3.6 GHz。在天線1基礎上，加載高阻抗線和等腰三角形貼片，得到如圖7(b)所示的天線2。通過引入慢波結構，增加分布電容，增大了傳播常數，使天線的諧振中心頻率降到了3.16 GHz。為了進一步實現天線的小型化，在輻射金屬貼片上蝕刻V形槽，得到如圖7(c)所示的天線3。通過開V形槽，延長了電流有效路徑，使諧振頻率進一步向低頻偏移，諧振在2.51 GHz。

圖7 天線結構的演變

圖8 3種天線演變結構的仿真結果對比

2.2 圓極化

圓極化特性可通過天線貼片在2.45 GHz頻點處的電流分布隨時間變化的情況來描述，如圖9所示。從圖9可看出，天線在t=0T(T表示周期)時，電流方向沿負y軸；當t=T/4時，電流方向沿負x軸；在一個周期T內，沿x軸和y軸方向的電流交替變換，形成空間正交的分量，經過合理的調試優化，可形成2個具有幅值相等、相位差為90°的正交分量，合成了圓極化波。由電流方向為順時針旋轉可知，天線具有左旋圓極化特性，這與由圖6天線輻射方向圖得到的結果相符合。

圖9 天線貼片在2.45 GHz處的電流分布

3 天線參數對性能的影響

3.1 參數L3對天線性能的影響

參數L3表示慢波結構中的等腰三角形貼片的高，其對天線性能的影響如圖10所示。從圖10可看出，當L3增大時，天線的諧振頻率和軸比向低頻偏移。為了取得較好的阻抗特性和軸比特性，天線參數L3=0.6 mm。

圖10 參數L3對天線性能的影響

3.2 參數L4對天線性能的影響

圖11為參數L4對天線性能的影響。從圖11可看出，當L4=0.4 mm時，天線的阻抗性能和軸比性能均較好，當L4增大或減小時，阻抗特性和軸比特性均發生了不同程度的惡化。因此，天線選定L4=0.4 mm作為最優值。

圖11 天線參數L4對天線性能的影響

3.3 參數L5對天線性能的影響

參數L5對天線性能的影響如圖12所示。從圖12可看出，當L5增大時，天線的諧振頻率向低頻偏移。L5的增大使天線的軸比性能最優頻點也向低頻移動。為了使天線的反射系數和軸比均能覆蓋2.45 GHz ISM頻段，天線選定L5=6.4 mm作為最優值。

圖12 天線參數L5對天線性能的影響

3.4 微擾單元對天線性能的影響

在圖13(a)所示的天線結構基礎上，在箭頭形槽的縫隙底部開一長方形槽，形成帶有干擾元的天線結構，如圖13(b)所示。圖14為2種結構的天線性能的比較。從圖14可看出，當開了長方形槽，即加載微擾單元后，所需頻段的軸比小于3 dB，實現了天線的圓極化。

圖13 微擾單元加載前后的天線結構

圖14 微擾單元對天線性能的影響

4 天線實測結果與分析

圖15為天線實物的體外測試環境。由于豬肉組織與人體的介電常數較為接近，采用新鮮豬肉(包含皮膚、脂肪和肌肉層)構建天線的體外植入式測試環境。由于植入式天線尺寸較小，且在生物體介質內的損耗較大，遠場增益較低，不能采用常規方法直接測試天線的圓極化增益。參考國內外學者對植入式天線的圓極化特性的驗證方法[12]，只需將線極化偶極子作為體外接收天線，被測天線置于豬肉皮下2 mm處，此時測量偶極子在方位角為0°、±45°和90°條件下，S21的數值差是否小于3 dB來間接驗證植入式天線是否具有圓極化特性。天線的實測S參數如圖16所示。從圖16可看出，天線的實測阻抗帶寬為2.32～2.65 GHz，覆蓋了2.45 GHz ISM頻段，相對于仿真結果，帶寬更寬，這歸因于豬肉組織的滲透帶來的損耗以及天線制作和測量過程帶來的誤差。偶極子在固定方位角處測量得到的S21也顯示于圖16中。從圖16可看出，在2.45 GHz ISM頻段內，S21的數值差均在3 dB以內，驗證了該植入式天線的圓極化特性。

圖15 天線實物體外測試環境

圖16 天線實物測試結果

5 比吸收率(SAR)與通信鏈路預算分析

1)考慮到植入式天線的工作環境是人體內部，需要計算人體組織吸收或耗散電磁輻射能量的強度是否超過健康安全范圍，從而需要評估天線在人體的SAR值。當所設計天線的輸入功率為1 W時，用軟件仿真得到天線在2.45 GHz頻點處10 g人體組織的最大平均SAR值為29.6 W/kg。為了滿足IEEE C95.1—2005安全標準[13]，經計算，該天線的最大輸入功率不能高于67.56 mW。

2)考慮到植入式天線的遠場增益較低，需要評估植入式天線與外部接收天線間的通信效能，故要進行通信鏈路預算分析。根據文獻[14]的計算方法，假設設計的天線輸入功率為-40 dBm，并假設體外接收天線為極化失配0 dB的圓極化天線。表3為天線通信鏈路預算的相關參數。鏈路余量隨接收天線與發射天線的距離變化如圖17所示。從圖17可看出，接收天線與發射天線的距離為6 m時，天線的鏈路余量仍大于0 dB，因此在6 m通信范圍內，可保證無線通信的可靠性。

表3 天線通信鏈路預算的相關參數

圖17 天線的鏈路余量

表4為設計的圓極化植入式天線與現有的一些圓極化植入式天線的性能比較。從表4可看出，本天線在尺寸小型化特性上有較大改進，極化純度也有較大提高，同時，仍能獲得適中的工作帶寬和效率。

表4 圓極化植入式天線性能比較

6 結束語

設計了一種基于慢波效應的小型圓極化植入式天線。通過在金屬貼片上加載慢波結構和開V形槽，實現了天線的小型化；采用在貼片上開長方形槽引入微擾單元，實現了天線的圓極化。天線覆蓋了2.4 GHz的ISM頻段，總體尺寸為9.2 mm×9.2 mm×1.27 mm，具有左旋圓極化的輻射特性。該天線具有小型化、抗干擾強、增益適中等特性，適用于無線生物醫療的植入式設備。