一種新型三頻段植入式天線的設(shè)計(jì)

李明玖，熊祥正，廖 成，馮 菊

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一種新型三頻段植入式天線的設(shè)計(jì)

李明玖，熊祥正，廖 成，馮 菊

（西南交通大學(xué) 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究所，四川 成都 610031）

設(shè)計(jì)了一種新型三頻段醫(yī)療植入式天線。天線可同時(shí)實(shí)現(xiàn)人體數(shù)據(jù)采集(MICS頻段404 MHz)、無(wú)線能量傳輸(ISM頻段918 MHz)和切換工作狀態(tài)(WMTS頻段1.43 GHz)的功能。采用高介電常數(shù)介質(zhì)和多層平面倒F結(jié)構(gòu)（PIFA天線）使天線尺寸降低，最終天線總體尺寸為10 mm×10 mm×1.5 mm，較之前同類(lèi)天線尺寸減小。利用仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了優(yōu)化，得到天線在各頻點(diǎn)處回波損耗小于–15 dB，增益分別為–39，–32，–26 dB，保證了天線工作的可靠性。最后，基于仿真模型制作了天線實(shí)物，用豬肉模擬人體組織進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合良好。

植入式天線；增益；小型化；多頻段；平面倒F；多層

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)及電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)療植入式電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于疾病治療和生理檢測(cè)，為病人的生活提供了很多便利[1]。傳統(tǒng)醫(yī)療植入設(shè)備采用低頻電感線圈進(jìn)行通信，這種方式具有尺寸大、傳輸速率慢、傳輸距離短等缺點(diǎn)，所以研究人員采用射頻植入式天線取代電感線圈，解決了上述難題。但目前植入式天線采用電池供電，尺寸大，工作壽命短，頻繁更換電池勢(shì)必增加病人的痛苦，采用多頻段植入式天線可在進(jìn)行通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)諸如無(wú)線充電等的其他功能[2]。對(duì)于植入式天線工作頻段，國(guó)際上最常用的有醫(yī)療植入通信服務(wù)（MICS，402~405 MHz）頻段、無(wú)線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)（WMTS，1 427~1 432 MHz）和工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM，433~434 MHz，902~928 MHz，2.4~2.5 GHz）頻段，對(duì)植入式天線的設(shè)計(jì)主要集中在這些頻段。文獻(xiàn)[3]采用開(kāi)槽平面倒F結(jié)構(gòu)微帶天線（Planar Inverted-F Antenna，PIFA）設(shè)計(jì)了三頻段植入式天線，但天線水平尺寸較大，為30 mm×17 mm。文獻(xiàn)[4]在PIFA天線接地板上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)頻段的覆蓋，天線尺寸為19.8 mm×19.4 mm，仍然較大。文獻(xiàn)[5]使用多層蜿蜒PIFA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多頻段，雖然減小了水平尺寸，但是天線由四層結(jié)構(gòu)組成，增加了天線厚度和加工難度。

植入式醫(yī)療設(shè)備所需天線尺寸小，剖面低，工作壽命長(zhǎng)，當(dāng)前對(duì)植入式天線進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?shù)奈墨I(xiàn)較少。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型三頻段醫(yī)療植入式天線，用于測(cè)量人體溫度、血壓等參數(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。天線采用高介電常數(shù)材料和多層平面倒F天線相結(jié)合的方法，在實(shí)現(xiàn)多頻段的同時(shí)減小了天線尺寸。

1 天線設(shè)計(jì)

平面倒F天線（PIFA）由接地板、輻射單元、饋電結(jié)構(gòu)和短路探針組成，短路探針將輻射單元和接地板相連，是天線表面電流的回路。PIFA諧振電尺寸小于/2，非常適用于天線工作空間有限的場(chǎng)合，因?yàn)槠涑Ｒ?guī)尺寸為/4。微帶天線的諧振頻率0可由式（1）近似確定[6]：

式中：為真空中電磁波的傳播速度；為短路板的寬度；為介質(zhì)板的厚度；p、p為輻射貼片的長(zhǎng)和寬；ff為介質(zhì)板的有效介電常數(shù)?？梢钥闯觯捎酶呓殡姵?shù)介質(zhì)板可以有效降低天線尺寸。

實(shí)現(xiàn)PIFA天線多頻段有很多方法，比如在貼片上加載或者開(kāi)槽可以激勵(lì)多種模式，使天線產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)。還可以利用多層貼片重疊的方式產(chǎn)生多個(gè)諧振器，從而實(shí)現(xiàn)天線的多頻點(diǎn)工作。采用加載、開(kāi)槽和多層貼片重疊結(jié)構(gòu)還能擴(kuò)大電流有效路徑，從而減小天線尺寸。

本文設(shè)計(jì)的天線由三層平面倒F結(jié)構(gòu)組成，圖1為天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1(a)是天線的側(cè)面示意圖，(b)為正方形接地面（平面），邊長(zhǎng)為10 mm，(c)、(d)分別為中層和頂層螺旋形輻射面，采用螺旋結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大電流有效路徑從而減小天線的物理尺寸，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[7]；接地板和中間層貼片通過(guò)短路探針相連；輻射貼片印刷在厚度為0.5 mm、相對(duì)介電常數(shù)為10.2的Rogers RT6010介質(zhì)板上；為防止金屬貼片和人體直接接觸對(duì)人體造成傷害，天線的頂層用額外一層介質(zhì)板覆蓋，該層介質(zhì)板還可以作為天線和人體之間的緩沖器降低人體吸收的功率[8]。天線采用特性阻抗為50W的同軸探針饋電，饋電點(diǎn)位于天線的左下角。

(a) 天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

mm

（b）底層?????（c）中層?????（d）頂層

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Graphs of the antenna structure

采用基于時(shí)域有限積分法電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，仿真中天線被放入單層人體皮膚中，皮膚模型尺寸為80 mm×80 mm×30 mm，植入深度為5 mm。表1為三個(gè)頻點(diǎn)下人體皮膚和豬肉的電參數(shù)，皮膚的密度為1 100 kg·m–3。

表1 不同頻率下皮膚和豬肉電參數(shù)

Tab.1 Electric parameters of skin and pork with different frequencies

2 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1 天線回波損耗

天線諧振頻率與饋電點(diǎn)和短路探針位置、介質(zhì)板厚度和天線結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)其他參數(shù)確定后，對(duì)圖1中1和2進(jìn)行優(yōu)化，圖2和圖3分別為不同的1、2的值對(duì)應(yīng)的天線在人體皮膚中的回波損耗。

圖2 w1對(duì)天線回波損耗的影響

圖3 w2對(duì)天線回波損耗的影響

由圖2和圖3可以看出，參數(shù)1對(duì)天線MICS頻段和WMTS頻段影響較小，隨著1的增加，ISM頻段諧振點(diǎn)逐漸左移，帶寬有較小增加，1=3.7 mm時(shí)最佳；參數(shù)2對(duì)天線MICS頻段和ISM頻段影響較小，隨著2的增加，WMTS頻段諧振點(diǎn)逐漸左移，帶寬逐漸減小，2=7.9 mm時(shí)最佳。

優(yōu)化后天線回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示，天線在三個(gè)頻點(diǎn)下的回波損耗均小于–15 dB，輻射性能較好。為了驗(yàn)證仿真的正確性，將天線加工成實(shí)物并放進(jìn)豬肉中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為安捷倫公司生產(chǎn)的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖4 天線實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果

圖5 天線測(cè)試環(huán)境

從圖4中可以看出，測(cè)試與仿真結(jié)果諧振基本吻合，MICS頻段（404 MHz）和WMTS頻段（1.43 GHz）的回波損耗稍大于仿真結(jié)果，但仍然小于–10 dB。另外，ISM頻段（918 MHz）和WMTS頻段的阻抗帶寬大于仿真結(jié)果，造成上述誤差的原因可能是因?yàn)闇y(cè)試中豬肉和天線之間存在氣泡,沒(méi)有良好接觸，天線加工存在誤差，豬肉和人體皮膚電參數(shù)不同也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2.2 天線方向圖與增益

植入式天線工作在人體內(nèi)完成與外部設(shè)備之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，所以必須保證其有足夠的遠(yuǎn)場(chǎng)增益。對(duì)植入式天線來(lái)說(shuō)，天線增益一般較低，比如在MICS頻段，增益通常在–46 dBi到–24 dBi之間[9]，具體取決于天線尺寸。通過(guò)仿真，天線在三個(gè)頻點(diǎn)處的輻射方向圖如圖6所示。

（a）404 MHz輻射方向圖

（b）918 MHz輻射方向圖

（c）1.43 GHz輻射方向圖

天線在404，918和1.43 GHz三個(gè)頻點(diǎn)處的增益分別為–39，–32和–26 dB，滿(mǎn)足植入式天線的設(shè)計(jì)要求。

2.3 人體輻射安全性

國(guó)際上用比吸收率（SAR）來(lái)描述人體組織和電磁波的相互作用，1 g平均比吸熱率（1-g SAR）定義為單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收的電磁輻射能量。為了不對(duì)人體造成傷害，IEEEC95.1-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了1-g SAR不能超過(guò)1.6 W/kg[10]。通過(guò)仿真得到天線在404 MHz，918 MHz和1.43 GHz處的1-g SAR分別為270，267.5，293 W/kg。仿真中設(shè)置的饋電功率為1 W，根據(jù)仿真結(jié)果和上述標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到實(shí)際供電功率分別不得超過(guò)5.93，5.98，5.46 mW。

2.4 設(shè)計(jì)對(duì)比

文獻(xiàn)[6-7，11-12]均采用PIFA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了單頻點(diǎn)植入式天線，表2為具體參數(shù)比較。對(duì)比表2可以看出，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和多頻段，與同尺寸天線相比保持了遠(yuǎn)場(chǎng)增益。

表2 植入式天線參數(shù)比較

Tab.2 Parameters comparison with other implantable antennas

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款尺寸為10 mm×10 mm×1.5 mm的醫(yī)療植入式天線，天線覆蓋了MICS、WMTS和ISM三個(gè)頻段，分別實(shí)現(xiàn)人體數(shù)據(jù)采集、無(wú)線能量傳輸和切換工作狀態(tài)的功能。采用高介電常數(shù)介質(zhì)和多層PIFA結(jié)構(gòu)的方法使天線尺寸得到降低。與現(xiàn)有植入式天線相比，在實(shí)現(xiàn)天線多頻段工作的同時(shí)進(jìn)一步減小了天線的尺寸，并保持了遠(yuǎn)場(chǎng)增益，為植入式天線的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 劉益和, 張雙, 秦雨萍, 等. 植入式人體通信技術(shù)發(fā)展與未來(lái) [J]. 中國(guó)科技論文, 2014, 9(1): 16-23.

[2] LIU C R, GUO Y X, SUN H C. Design and safety considerations of an implantable rectenna for far-field wireless power transfer [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2014, 62(11): 5798-5806.

[3] GOZASHT F, MOHAN A. Miniaturized slot PIFA antenna for tripleband implant biomedical applications [C]//IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications. NY, USA: IEEE, 2013.

[4] XU L J, GUO Y X, WU W. Dual-band implant antenna with open-end slots on ground [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2012, 11: 1564-1567.

[5] HUANG F J, LI C M, CHANG C L. Rectenna application of miniaturized implantable antenna design for triple-band biotelemetry communication [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2011, 59(7): 2646-2653.

[6] WONG K L. Planar antennas for wireless communications [M]. USA: Wiley-Interscience, 2003.

[7] 吳昊, 郁磊, 郭立泉, 等. 一種新型MICS頻段可植入天線的設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(3): 54-57.

[8] KAMAL H M D, KOUZANI A Z, TYE S, et al. Compact stacked planar inverted-F antenna for passive deep brain stimulation implants [C]//34th Annual International Conference of the IEEE EMBS. San Diego, California, USA: The Conference Organizer, 2012.

[9] DUAN Z, GUO Y X, JE M K, et al. Design and in vitro test of a differentially fed dual-band implantable antenna operating at MICS and ISM bands [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2014, 62(5): 2430-2439.

[10] IEEE. IEEEC95.1-1999 standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz [S]. USA: IEEE, 1999.

[11] SOONTORNPIPIT P P, FURSE C M, CHUNG Y C. Design of implantable microstrip antenna for communication with medical implants [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2004, 52(8): 1944-1951.

[12] KIOURTI A A, TSAKALAKIS M, NIKITA K S. Parametric study and design of implantable. PIFAs for wireless biotelemetry [C]//Proceedings of the 2nd ICST International Conference on Wireless Mobile Communication and Healthcare. Kos Island, Greece: The Conference Organizer, 2011.

（編輯：陳渝生）

Design of a novel triple-band implantable antenna

LI Mingjiu, XIONG Xiangzheng, LIAO Cheng, FENG Ju

(Institute of Electromagnetics and Microwave Technolorgy, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A novel triple-band medical implantable antenna was designed. The antenna is effective with data telemetry (MICS band 404 MHz), wireless powering transmission (ISM band 918 MHz), and the switchover of working state (WMTS band 1.43 GHz). The antenna’s size is 10 mm×10 mm×1.5 mm using materials with high permittivity and multilayer PIFA structure to reduce antenna size, which is smaller than that of previous antenna. The antenna was optimized by simulation software. Result shows that the return loss11<–15 dB and the gain is –39, –32 and –26 dB at each frequency point, which guarantees the reliability of the antenna at working. Finally, the antenna was tested in minced pork and the measured data were in good agreement with the simulation results.

implantable antenna; gain; miniaturization; multi-band; plat flip F; multilayer

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.03.014

TN822

A

1001-2028（2017）03-0068-04

2016-12-27

李明玖

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助（No. 2013CB328904）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（No. 2682015CX062）

熊祥正（1964－），男，重慶人，教授，主要研究方向?yàn)槲⒉娐放c器件、微波通信系統(tǒng)，E-mail: XXZ8152@ sina.com ；李明玖（1991－），男，重慶人，研究生，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)，E-mail: 765498280@qq.com。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170310.1147.014.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-10 11:47