用于口舌驱动系统的双频植入式天线设计

口舌驱动系统是一种能够为丧失自主生活能力的患者提供帮助的辅助技术.为了满足该系统工作需求并为其提供良好的无线通信能力,提出了一种具有双频、柔性、宽频和小型化特性的植入式天线设计方案.考虑计算时间及设计方案的可行性,天线的设计在单层人体肌肉模型中完成,为了探究天线在口舌驱动系统中的性能表现,提出了多层人体口腔模型.借助曲流结构和缺陷地结构实现了天线的小型化设计,通过调整天线的馈电点位置,实现了天线的双频和宽带特性,通过在天线上下表面涂覆与介质基板相同材料的保护层,避免了天线与人体的直接接触从而提高了生物安全性.通过仿真确定了天线的最佳几何结构,并在新鲜猪肉和皮肤仿真液中进行测量,结果表明,该天线能够稳定工作在0.433 GHz和2.45 GHz频段.天线在两个频段的阻抗带宽分别达到了78.2%和34.2%,而整体尺寸仅为10 mm×10 mm×0.35 mm,同时天线表现出较低的比吸收率值.在此基础上,进行了远场数据传输测试,结果表明天线具有良好的远场传输能力,能够满足口舌驱动系统的应用需求.

一种新型CPW馈电的植入式天线的设计

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（12mm×12mm×1.27mm）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-36dB,带宽为32.8%（333~465 MHz）.实现天线小型化的同时,保持-33.27dB的远场增益,确保天线工作的可靠性.

一种新型三频段植入式天线的设计

设计了一种新型三频段医疗植入式天线。天线可同时实现人体数据采集(MICS频段404 MHz)、无线能量传输(ISM频段918 MHz)和切换工作状态(WMTS频段1.43 GHz)的功能。采用高介电常数介质和多层平面倒F结构(PIFA天线)使天线尺寸降低,最终天线总体尺寸为10 mm×10 mm×1.5 mm,较之前同类天线尺寸减小。利用仿真软件对天线进行了优化,得到天线在各频点处回波损耗小于–15 d B,增益分别为–39,–32,–26 d B,保证了天线工作的可靠性。最后,基于仿真模型制作了天线实物,用猪肉模拟人体组织进行了实测,实测数据与仿真结果吻合良好。

一种应用于ISM频段的共面波导型可植入式天线

为了满足目前可植入式医疗设备对天线小型、宽带、频率性能稳定的需求,提出一种新型医疗频段(ISM)可植入式天线,天线具有阶梯形状的对称结构,共面波导馈电。采用立方体形状的人体模型填充肌肉,天线置于人体中心部位,仿真设计天线覆盖医疗频段(ISM),分析了天线处于胃、小肠、皮肤等组织材料中仍能够覆盖ISM频段。在配制的模拟人体肌肉溶液中对天线进行测试,带宽为2.02~2.5 GHz。天线尺寸4 mm×11.9 mm×0.8 mm,采用FR-4材料,与目前已有的可植入式天线相比,天线具有体积小、带宽宽、制作成本低等优点,可应用于心脏起搏器、胶囊内镜等可植入式医疗设备。

用于生物医疗的共面波导馈电双频植入式天线

设计了一款用于生物医疗的微小紧凑型共面波导馈电双频植入式天线。该天线工作于工业、科学和医疗(Industrial Scientific Medical, ISM)低频段(433~434.8 MHz)及无线医疗遥测服务(Wireless Medical Telemetry Service, WMTS)频段(1.395~1.40 GHz),尺寸仅为10 mm×10 mm×1.27 mm。天线采用共面波导馈电结构,易于和其它结构集成,采用高介电常数介质基板和折合蜿蜒类偶极子结构使天线尺寸得以有效缩小。在满足SAR(Specific Absorption Rate,比吸收率)值标准的前提下,采用U形接地板,以获得较高的增益,在两个频段内谐振频率处的最高增益分别为-32.23 dBi和-20.63 dBi,提升了天线性能。最后,基于仿真结果制作天线实物并进行了测试,实测数据与仿真结果吻合较好。研究成果可为植入式天线研制与应用提供重要参考。

基于慢波效应的小型圆极化植入式天线设计

为了更方便和有效地传输人体健康数据,设计了一种应用于生物医学遥测的植入式小型圆极化微带贴片天线。天线采用带缝隙的箭头形贴片形成的慢波效应和在贴片中嵌入的V形缝隙延长电流路径实现小型化;引入干扰单元,实现天线圆极化。3层人体模型的仿真结果显示,天线的阻抗带宽为7.2%(2.39~2.57 GHz),轴比带宽为3.7%(2.39~2.48 GHz),完全覆盖工业科学医疗(ISM)2.4~2.48 GHz频段。天线的辐射方向图显示具有左旋圆极化辐射性能,天线的体外实际测试结果与仿真结果相吻合。

用于植入式医疗的微波无线电能传输系统设计

研究了一种可用于植入式医疗的微波无线电能传输(WPT),设计了植入式的小型圆极化双频天线,该天线通过对称狭缝开槽引入了90°相位差双激励,实现了其在2.422~2.51 GHz(ISM频段)的圆极化,其具体尺寸和增益为30 mm×30 mm×1.27 mm(-8.27 dBi@2.45 GHz/-15.13 dBi@1.9 GHz)。同时设计制作了最大增益为15.76 dBi的空气介质天线阵列用作微波发射天线。实测结果表明:接收装置在50 cm传输距离下可接收最大射频功率18.92 dBm(78.51 mW),可初步满足植入式医疗器械的充电需求,有助于降低病人手术更换电池所带来的风险。

新型共面波导馈电柔性缝隙型可植入天线研究

为了减轻无线植入设备中植入天线所引起的不适性,本文提出了一种新型共面波导(coplanar waveguide,CPW)馈电的缝隙型可植入天线,天线衬底为20μm厚聚酰亚胺柔性材料。采用电磁仿真软件对天线进行优化设计,得到天线尺寸为11 mm×13 mm,天线在肌肉中的带宽为1.77~2.94 GHz,最大增益为-22.7 dBi。同时,分析了天线带宽随着人体模型尺寸、绝缘膜厚度、空气缝隙厚度以及不同人体组织中的的变化规律,并在尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的填充肌肉人体模型中进行仿真。仿真结果表明,天线在肌肉、皮肤、小肠、胃等多种人体组织中均保持宽带特性,可以覆盖工业、科学和医疗(industrial,scientific and medical,ISM)频段,而且具有体积小、质量轻、带宽宽的特性。该研究在植入医疗设备中具有较好的应用价值。

应用于体域网的可穿戴天线研究进展

随着无线通信的高速发展和可穿戴智能设备的普及,体域网成为移动通信的一个重要组成部分,可穿戴天线的设计得到广泛的发展。由于特殊的应用场景,可穿戴天线一般具有低剖面、小体积、低比吸收率的特点。按照用途,它可以划分为小型化刚性可穿戴天线,柔性可穿戴天线和可植入式天线。小型化刚性可穿戴天线对天线弯曲度要求不高,而柔性可穿戴天线要求天线能够与人体共形,便于集成到衣物上。可植入式天线一般用于医疗领域,人体不同组织对天线性能的影响尤为重要。本文主要根据可穿戴天线的用途对其国内外研究进展进行叙述,最后做出展望。

一种应用于HBC频段的新型天线设计

为了适应可植入式医疗设备的迅速发展,本文提出一种应用于人体通信频段(human body communication,HBC)的新型天线。天线形状设计为半径4.8 mm的平面圆形结构,衬底材料使用厚度为0.02 mm的磁性材料,在螺旋结构中添加矩形连接点,并在天线表面覆盖与衬底材料相同的介质薄膜的设计方法,以拓宽天线的带宽。同时,为在人体环境中对天线进行优化设计,采用HFSS仿真软件,分析不同圈数的螺旋贴片、衬底和介质薄膜厚度的变化,以及不同数量的连结点和不同人体环境对天线工作性能产生的影响。仿真结果表明,本文提出的新型可植入式天线,在人体肌肉环境下的带宽为41.8~47.9 MHz,与现有的HBC频段的可植入式天线相比,本文提出的天线具有带宽较宽,体积较小等优点,可以较好的应用于可植入式医疗设备中。该研究在医疗领域具有较好的应用前景。

适应多角度入射的无线能量传输天线设计

为提高植入式设备在多角度入射下的无线能量传输效率,文中提出一种用于中场无线能量传输的入射不敏感植入式超材料天线,该天线工作在中场1.4 GHz处。搭建了胃部仿真环境,在模拟组织中评估了该天线在不同入射角度情况下的能量传输性能。经仿真分析,该植入天线沿x、y、z轴旋转一周时,97%以上的角度范围内S;均达-37 dB以上,且各角度下的S;值相差仅1~4 dB,验证了该天线具有入射角度不敏感特性,且最大比吸收率满足IEEE标准。实验表明,实测整体结果与仿真结果有较好一致性。总体设计达到了预期目标,适用于生物医疗领域的无线能量传输。

一种新型MICS频段可植入天线的设计

设计了工作在MICS频段,尺寸为10 mm×10 mm×1.905 mm的可植入天线。采用高相对介电常数材料和平面倒F结构微带天线(PIFA)结构以降低天线尺寸。经过软件HFSS仿真计算,对天线模型参数进行了优化,得到最佳的设计效果。天线在403 MHz的谐振频点上回波损耗小于–20 dB,在实现小型化的同时,保持–37 dB的天线远场增益,保证了天线工作的可靠性。