一种新型CPW馈电的植入式天线的设计

王　翔，项铁铭

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018)



一种新型CPW馈电的植入式天线的设计

王翔，项铁铭

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：设计了一种工作在医用植入式通信服务频段，采用共面波导馈电，尺寸为182.88 mm3(12 mm×12 mm×1.27 mm)植入式天线.采用高相对介电常数材料Rogers3010和紧凑的结构以降低天线尺寸.经过软件CST仿真计算，对天线各项参数进行优化，得到理想的仿真结果.通过制作实物得到天线在402 MHz的谐振频点上的回波损耗为-36 dB，带宽为32.8%(333～465 MHz).实现天线小型化的同时，保持-33.27 dB的远场增益，确保天线工作的可靠性.

关键词：植入式天线；医用植入式通信服务频段；增益；小型化；共面波导馈电

0引言

近年来，植入式医疗装置被广泛用于生理监测与电疗法.随着无线通信技术的进步以及电子产业的发展，植入式的装置用于对病人生活上的便利越来越引起人们的关注[1]，利用植入式天线可以建立医疗设备与人体组织的连接，并将信息传输到外部设备中.植入式天线受到如生物相容性问题，天线尺寸限制，以及植入的安全性等因数的制约.天线需工作在医用植入式通信服务(Medical Implant Communications Services，MICS)频道(402～405 MHz)，该频段被广泛应用于生物医学工程中.本文设计了一种用于植入到人体皮肤组织中的新型天线.天线采用共面波导(coplanar waveguide，CPW)馈电并采用介电常数较高的材料Rogers3010.

1天线设计

图1　天线的实物图

本文设计的天线为二层结构，其实物图如图1所示.上层为覆盖层，尺寸为9 mm×12 mm.由于需要在基质层上焊接，因此覆盖层要比基质层少3 mm，基质层之上覆盖介质板，保护天线贴片与人体直接接触，有效地阻止天线发生短路对人体的造成的伤害[2].下层为基质层，尺寸为12 mm×12 mm.其上附有一层金属贴片，设计采用50?的同轴线馈电，覆盖层与基质层均采用Rogers3010，其介电常数εr=10.2.中间为一层辐射金属，外层是U形接地面，中间是环形辐射体，通过环绕来增加电长度，可以增加电流流过的路径，使天线的谐振频率降低[2]，同时实现了天线的阻抗匹配.

(1)

式中：D为天线的方向性系数，Smax与S0为受试天线的最大辐射方向的功率密度与一点源天线的辐射功率密度，Emax与E0分别为受试天线的最大辐射方向的电场强度与一点源天线的电场强度，Pr与Pr0分别为受试天线和点源天线的辐射功率.

将天线外层的U形接地面扩大，有利于扩大天线接地面与环绕带之间电容耦合区域的面积，从而增加辐射面的电场强度[4]，近而增加天线增益.用HFSS仿真不同接地面的电场强度值，不同接地面电场强度仿真图如图2所示，图2(a)的最大电场强度值为1.888 2×104V/m，图2(b)的最大电场强度值为5.898 2×104V/m，图2(c)的最大电场强度值为1.335 0×105V/m，验证了使用扩大的U形接地面电场强度最大.天线增益的计算公式如下：

G=ηAD.

(2)

式中：G为天线的增益系数，ηA为天线的效率，D为天线的方向性系数.

图2　不同接地面电场强度仿真图

天线结构如图3所示，各个参数值如表1所示，馈电点的位置在长度为L8的缝隙位置上，方向为从周围接地面到中间的内芯，天线中间的辐射体结构类似于偶极子天线，较长的臂实现对MICS频段的覆盖，H代表介质基板的厚度.

图3　天线结构图

表1　天线的各项参数　　　mm

图4　天线的测量环境

2仿真与实测结果

2.1天线的回波损耗与增益

使用电磁仿真软件(Computer Simulation Technology，CST)[5]对上诉天线进行仿真，得到结果如图5所示，可见天线在404 MHz处天线的回波损耗为-27 dB，充分实现了对MICS频段的覆盖.在仿真中将天线放入到单层皮肤(εr=46.7，σ=0.69 S/m)模型中，模型的尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，植入深度为5 mm.为了证明仿真结果的正确性，实际测量中将天线植入到猪皮中，如图4所示，并得到天线在谐振频率点402 MHz处的回波损耗为-36 dB，基本与仿真结果相符合，但是测试的阻抗带宽远大于仿真的结果，其原因可能是猪皮与猪皮之间的缝隙对测量造成的影响，还有实际猪皮介电常数误差也会对实验结果造成影响.

图5　天线的回波损耗参数

测试天线在350～450 MHz频段内的增益图，如图6所示，并得到天线在402 MHz频点处的增益为-33.27 dB，测试结果与仿真结果大致相同，但是与仿真结果-31.06 dB有一定误差，其原因主要是周围噪声的影响，其次连接线的损耗与仪器的系统误差也会影响测试结果.

图6　天线实测增益图

2.2人体辐射安全性

IEEEC95.1-1999标准限制了1 g平均比吸收率(SAR)不超过1.6 W/kg，ICNIRP标准限制了10 g平均比吸收率不超过2 W/kg，通过仿真天线的平均比吸收率，设置入射功率为1 W，得到1 g和10 g的SAR值分别为249.7 W/kg和44 W/kg，远远大于规定的标准，因此通过降低入射功率来降低SAR的值，当通过仿真得到实际入射功率分别为2.6 mW和6 mW时，才能使SAR值达到规定的标准，所以取最小值2.6 mW为入射功率.

2.3设计对比

文献[2]、文献[6]、文献[7]均采用平面PIFA结构，文献[4]采用共面波导结构，对比参数比较如表2所示.与文献[2]、文献[7]相比，在天线尺寸相差不多的情况下，天线的增益增大了.

表2　植入式天线参数比较

3结束语

本文设计了一种工作在MICS频段采用CPW馈电的植入式天线，天线具有尺寸小、质量轻、高增益、宽频带等优点，与如今比较常用的平面倒F结构的植入式天线相比，在尺寸相差不多的前提下，增益普遍提高，能够用在医疗设备中.

参考文献

[1]刘益和,张双,秦雨萍,等.植入式人体通信技术发展与未来[J].中国科技论文,2014,9(1):16-23.

[2]吴昊,郁磊,郭立泉,等.一种新型MICS频段可植入天线的设计[J].电子元件与材料,2014,33(3):54-57.

[3]宋铮,张建华,黄冶.天线与电波传播[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011:10-13.

[4]HUANG C Y, TSAI C L, YANG C L.Compact broadband implantable monopole antenna with gain enhancement[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI).Memphis:IEEE,2014:1590-1591.

[5]金明涛.CST天线仿真与工程设计[M].北京:电子工业出版社,2014:139-140.

[6]LIU W C,CHEN S H,WU C M.Bandwidth enhancement and size reduction of an implantable PIFA antenna for biotelemetry devices[J].Microwave & Optical Technology Letters,2009,51(3):755-757.

[7]KIOURTI A,NIKITA K S.Miniature Scalp-Implantable Antennas for Telemetry in the MICS and ISM Bands:Design,Safety Considerations and Link Budget Analysis[J].Antennas & Propagation,IEEE Transactions on,2012, 60(8):3568-3575.

Design a Kind of Novel CPW Feed Implantable Antenna

WANG Xiang, XIANG Tieming

(InstituteofAntennaandMicrowaves,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：The design of a novel coplanar waveguide(CPW) feed implantable antenna operating at medical implant communication services(MICS) band, and the size of antenna is 182.88 mm3 (12 mm×12 mm×1.27 mm). Using high relative dielectric constant materials Rogers3010 and compact structure to reduce the antenna size, and uses software computer simulation technology(CST) to simulate and calculate, the parameters of antenna are optimized, and gains the best design effects. Through making material object, we get the result that the return loss is -36 dB at 402 MHz and 32.8%(333-465 MHz) bandwidth, by realizing miniaturization, it also maintains -29.5 dB far field antenna gain, to ensure the reliability of the antenna.

Key words：implantable antenna; medical implant communications services band; gain; miniaturization; coplanar waveguide feed

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.005

收稿日期：2015-08-03

作者简介：王翔(1991-)，男，浙江舟山人，硕士研究生，电磁场与微波技术.通信作者：项铁铭副教授，E-mail:tmxiang@hdu.edu.cn.

中图分类号：TN828.6

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)02-0023-04