应用于无线医疗的可植入天线研究与设计

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随着人们对稳定舒适的医疗保障服务需求日益增加,可植入设备在无线胶囊内窥镜、心脏起搏器、血糖监测系统等方面得到了广泛应用,无线医疗行业对其性能有了更高的要求。可植入天线作为植入医疗设备中的重要组成部分,为体内外设备间的无线信息传输提供了通道,其效果直接影响数据传输的质量和医疗诊断结果,因此设计性能良好的可植入天线对无线医疗技术的发展与应用具有重要意义。本论文根据可植入天线在各种不同使用场景下的技术需求,研究并设计了几款应用于无线医疗的可植入天线,主要工作如下:1.设计了一款谐振于2.45GHz的小型化、高增益可植入天线。天线采用半圆结构作为主辐射体,利用半地结构和阶梯微带线馈电的方法调节谐振频点并减小整体尺寸。天线工作于2.10~3.01GHz,具有较宽的带宽。为了提高可植入天线的增益,在天线上层加载厚度为0.127mm的近零折射率覆盖板,用来改变电磁波的传播方向并聚焦能量,使加载覆盖板后的天线带内增益提高了3.2dB以上。天线系统的整体尺寸仅为7×10×0.254mm~3,峰值增益为-10.2dBi,在天线小型化设计的同时实现高增益性能。2.设计了一款同时工作于2.02~2.74GHz和3.73~5.59GHz的小型圆极化可植入天线。将满足结构和电场分布对称条件的天线切半以获得紧凑的结构,并得到更宽的工作带宽,天线切半后尺寸为10.4×10×0.254mm~3。通过在辐射面上增加寄生贴片引入新的工作频段实现双频,同时利用蜿蜒贴片激发相互正交的线极化分量实现天线的圆极化性能。天线的重要特征是有两个工作频带,可以实现植入设备的双模工作,且每个频段具有相应的圆极化特性。3.设计了一款超宽带胶囊内窥镜天线。天线采用柔性材料做侧壁结构的介质基板实现共形,并为无线胶囊内窥镜中其他器件留出空间,提高胶囊内部的空间利用率。基于传统螺旋天线宽带特性的原理,对天线螺旋结构进行改进。在圆形馈电网络合适的位置加载短路探针,改善天线的匹配效果实现超宽带性能。在馈电网络接地板添加互补开口谐振环(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR)缝隙,利用其电路特性增加新的谐振频点实现双频。天线既可以双频工作,又具有超宽带的特点,在两个频段的工作带宽分别为30.3%和53.3%。本文所设计的天线均进行了实物加工与测试,测试分别选用模拟人体肌肉组织的溶液和猪肉组织构成天线的工作环境,测试结果与仿真结果基本一致,符合可植入天线的设计指标。
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