技术领域
[0001] 本
发明涉及植入式天线技术领域，具体涉及用于无线生物医疗的方环形圆极化植入式天线，适用于WMTS 1.43GHz频段的圆极化植入式无线生物医疗装置。
背景技术
[0002] 当前，人口老龄化和亚健康人群不断增加，需要通过日常检查、外科手术和状态监控来护理这些人群，但医疗保健的成本较高，无线生物医疗技术能够提供更加高效、便捷的医疗保健服务，具有广阔的发展前景。无线生物医疗装置是指采用吞入或手术等方法植入到人体装置，它可以不考虑患者的生理状态，连续的监测人体新陈代谢
水平，为医生提供精准的诊疗信息，同时可以大大降低病人的痛苦。无线生物医疗装置通常由
传感器、天线、
电池等组成，天线是植入式无线生物医疗装置的核心器件，它是人体状态信息传输的
桥梁。由于人体组织的电特性和结构会随时间和个体的变化而变化，设计的植入式天线需要具有尺寸小、抗干扰、低功耗和生物兼容性。植入式天线植入到人体后会因人体的移动而发生移动或转动，这就会使体外天线因无法与植入式天线对准而无法完成通信。如果体外是线极化天线，植入式天线与体外天线会因
角度的变化而引起极化失配，从而降低通信
质量。圆极化天线能降低对体外线极化天线的极化特性需求，能够有效解决极化失配的问题，同时，圆极化天线还具有降低误码率、减小多径干扰等特性。然而，设计一款圆极化植入式天线需要兼顾圆极化、小型化、
电磁干扰与兼容、工作带宽与
频率、
生物相容性等多种需求，设计出一款性能优良的植入式圆极化天线具有一定挑战。植入式天线小型化的方法主要是延长
电流路径增加电尺寸、改变介质
基板结构、采用高
介电常数介质基板、采取加载技术增加有源网络等。非
专利文献1：公开了一种宽带
内窥镜圆极化天线，通过在
辐射单元上开与长臂成一定角度且长度不同的槽，缩小天线的设计尺寸，在地板上增加一对开路槽，进一步缩小天线的尺寸，将天线与胶囊外壁共形，产生圆极化特性，该天线在
频率范围内具有良好的极化特性和阻抗匹配。非专利文献2：公开了一种小型化植入式圆环形天线，由中间的圆形辐射贴片和外侧的圆环组成，在圆环两侧增加矩形槽来延长天线表面电流路径，缩小天线的尺寸，在天线圆环辐射贴片的内侧增加两个枝节，产生几何微扰从而生产圆极化特性，在中间圆形辐射贴片中间开一个Z字形槽，提高天线的阻抗匹配并提升圆极化纯度。在辐射单元顶部增加相同的介质基板，防止辐射贴片与人体直接
接触，同时，该介质基板还可以用作人体组织与辐射贴片之间的
缓冲器。
[0003] 引用文献列表
[0004] 非专利文献1：Das R.,Yoo H..A wideband circularly polarized conformal endoscopic antenna system for high-speed data transfer[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2017,65(6):2816–2826.
[0005] 非专利文献2：Li R.,Guo Y.X.,Zhang B.,et al.A miniaturized circularly polarized implantable annular-ring antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2017,16:2566-2569.
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种用于无线生物医疗的方环形圆极化植入式天线，该天线具有圆极化、宽频带、抗干扰、小型化、生物兼容性优良等特性，易于集成到植入式无线生物医疗装置中，适用于WMTS 1.43GHz频段，能满足植入人体组织后的工作需求。
[0007] 本发明的技术方案是：用于无线生物医疗的方环形圆极化植入式天线，由介质基板1、方环形辐射贴片2、
短路探针3、短路探针4、同轴接头5、地板6构成，其特征在于：
[0008] a.所述的方环形辐射贴片2由方形环2-1、三角形加载单元2-2、三角形加载单元2-3、三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5、三角形加载单元2-6、三角形加载单元2-7、三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9组成，方形环2-1位于方环形辐射贴片2外侧边缘，在方形环2-1四个边上开相同尺寸的矩形槽，形成蜿蜒曲折结构，能够延长辐射单元表面电流路径，缩小天线的尺寸，三角形加载单元2-2、三角形加载单元2-3、三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5、三角形加载单元2-6、三角形加载单元2-7、三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9位于方环形辐射贴片2内侧中心
位置，每个三角形加载单元通过与介质基板1对角线方向平行的高阻抗矩形导带与方形环2-1相连接，能够有效增加单位长度的有效电容和电感分布，增大传播常数，从而使天线的谐振频率向低频方向偏移，将三角形加载单元
2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9之间的缝隙延伸至方形环2-1边缘形成开路结构，三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-
8、三角形加载单元2-9靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而在空间上形成幅值相等且
相位差值为90度的
正交分量，产生圆极化特性，通过调整连接矩形的尺寸可以使圆极化纯度得到进一步优化；
[0009] b.所述的短路探针3、短路探针4设置在方环形辐射贴片2中的三角形加载单元2-4和三角形加载单元2-8上，短路探针3、短路探针4关于天线介质基板1中心对称，增加短路探针3、短路探针4能够引入新的谐振点，进而展宽植入式天线的轴比带宽；
[0010] c.所述的同轴接头5位于方环形辐射贴片2中的三角形加载单元2-6上，同轴接头5的内芯与方环形辐射贴片2相连接，同轴接头5的外芯与与地板6相连接；
[0011] d.所述的地板6为完整的方形结构，在植入式无线生物医疗装置中能够形成屏蔽层，减小天线对植入式无线生物医疗装置其它
电子元件的干扰，提升植入式天线的电磁兼容能
力。
[0012] 所述的介质基板1的长L为9.5mm～10.5mm，宽W为9.5mm～10.5mm。
[0013] 所述的方环形辐射贴片2的方形环2-1距介质基板边缘的距离W2为0.2mm～0.4mm，方形环2-1的四周宽度L4为0.9mm～1.2mm，方形环2-1四周的矩形槽长L6为0.7mm～0.9mm，宽W3为0.1mm～0.3mm，蜿蜒曲折结构的宽度L5为0.1mm～0.3mm，方环形辐射贴片2内侧中心位置的八个三角形加载单元为等腰直角三角形，直角边的长度W1为2.8mm～3.1mm，八个三角形加载单元之间的缝隙宽度L3为0.1mm～0.3mm，将八个三角形加载单元与方形环2-1相连接的高阻抗矩形导带宽L2为0.2mm～0.4mm，连接三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9的矩形导带长L1为0.4mm～0.6mm。
[0014] 所述的短路探针3、短路探针4距介质基板1中心的距离R1为2.6mm～3.1mm，短路探针3、短路探针4圆心位置与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为6～14度，短路探针3、短路探针4半径R2为0.2mm～0.4mm，短路探针3、短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。
[0015] 所述的同轴接头5距介质基板1横向对称轴的距离L0为0.8mm～1.2mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为1.8mm～2.2mm。
[0016] 所述的方环形圆极化植入式天线外表面
镀一层生物相容材料
氧化
铝，厚度为0.03mm，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离人体组织与圆极化植入式天线，减小人体组织对天线性能的影响。
[0017] 本发明的效果在于：本发明设计了用于无线生物医疗的方环形圆极化植入式天线，在方形环四个边上开相同尺寸的矩形槽，形成蜿蜒曲折结构，能够延长辐射单元表面电流路径，缩小天线的尺寸。在方环形辐射贴片中间加载八个三角形加载单元，能够有效增加单位长度的有效电容和电感分布，增大传播常数，从而使天线的谐振频率向低频方向偏移。将两组三角形加载单元缝隙延伸至方形环边缘形成开路结构，在两组三角形加载单元靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而在空间上形成幅值相等且
相位差值为90度的
正交分量，产生圆极化特性，通过调整连接矩形的尺寸可以使极化纯度得到进一步优化。
地板采用完整的方形结构，在植入式无线生物医疗装置中能够形成屏蔽层，减小天线对植入式无线生物医疗装置其它电子元件的干扰，提升植入式天线的电磁兼容能力。增加两个短路探针能够引入新的谐振点，进而展宽植入式天线的轴比带宽。该圆极化植入式天线为
3
平面结构，天线的体积仅为10×10×0.635mm ，具有小型化、圆极化、频带宽、抗干扰、生物兼容性好等特性，适用于WMTS 1.43GHz频段，能满足植入人体组织后的工作需求。
附图说明
[0018] 图1是本发明
实施例的
正面结构示意图。
[0019] 图2是本发明实施例的侧面结构示意图。
[0020] 图3是本发明实施例的背面结构示意图。
[0021] 图4是本发明实施例方形环四周的矩形槽长L6、宽W3对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
[0022] 图5是本发明实施例八个三角形加载单元直角边的长度W1对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
[0023] 图6是本发明实施例两组三角形加载单元的连接矩形导带长L1对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
[0024] 图7是本发明实施例植入
皮肤层深度示意图。
[0025] 图8是本发明实施例不同植入深度H对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
[0026] 图9是本发明实施例仿真与实测阻抗带宽曲线。
[0027] 图10是本发明实施例在频率为1.43GHz时的E面辐射方向图。
[0028] 图11是本发明实施例在频率为1.43GHz时的H面辐射方向图。
具体实施方式
[0029] 本发明的具体实施方式是：如图1所示，用于无线生物医疗的方环形圆极化植入式天线，由介质基板1、方环形辐射贴片2、短路探针3、短路探针4、同轴接头5、地板6构成，其特征在于：所述的方环形辐射贴片2由方形环2-1、三角形加载单元2-2、三角形加载单元2-3、三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5、三角形加载单元2-6、三角形加载单元2-7、三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9组成，方形环2-1位于方环形辐射贴片2外侧边缘，在方形环2-1四个边上开相同尺寸的矩形槽，形成蜿蜒曲折结构，能够延长辐射单元表面电流路径，缩小天线的尺寸，三角形加载单元2-2、三角形加载单元2-3、三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5、三角形加载单元2-6、三角形加载单元2-7、三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9位于方环形辐射贴片2内侧中心位置，每个三角形加载单元通过与介质基板1对角线方向平行的高阻抗矩形导带与方形环2-1相连接，能够有效增加单位长度的有效电容和电感分布，增大传播常数，从而使天线的谐振频率向低频方向偏移，将三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9之间的缝隙延伸至方形环2-1边缘形成开路结构，三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而在空间上形成幅值相等且相位差值为90度的正交分量，产生圆极化特性，通过调整连接矩形的尺寸可以使圆极化纯度得到进一步优化；所述的短路探针3、短路探针4设置在方环形辐射贴片2中的三角形加载单元2-4和三角形加载单元2-8上，短路探针3、短路探针4关于天线介质基板1中心对称，增加短路探针3、短路探针4能够引入新的谐振点，进而展宽植入式天线的轴比带宽；所述的同轴接头5位于方环形辐射贴片2中的三角形加载单元2-6上，同轴接头5的内芯与方环形辐射贴片2相连接，同轴接头5的外芯与与地板6相连接；所述的地板6为完整的方形结构，在植入式无线生物医疗装置中能够形成屏蔽层，减小天线对植入式无线生物医疗装置其它电子元件的干扰，提升植入式天线的电磁兼容能力。
[0030] 所述的介质基板1的长L为9.5mm～10.5mm，宽W为9.5mm～10.5mm。
[0031] 所述的方环形辐射贴片2的方形环2-1距介质基板边缘的距离W2为0.2mm～0.4mm，方形环2-1的四周宽度L4为0.9mm～1.2mm，方形环2-1四周的矩形槽长L6为0.7mm～0.9mm，宽W3为0.1mm～0.3mm，蜿蜒曲折结构的宽度L5为0.1mm～0.3mm，方环形辐射贴片2内侧中心位置的八个三角形加载单元为等腰直角三角形，直角边的长度W1为2.8mm～3.1mm，八个三角形加载单元之间的缝隙宽度L3为0.1mm～0.3mm，将八个三角形加载单元与方形环2-1相连接的高阻抗矩形导带宽L2为0.2mm～0.4mm，连接三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9的矩形导带长L1为0.4mm～0.6mm。
[0032] 所述的短路探针3、短路探针4距介质基板1中心的距离R1为2.6mm～3.1mm，短路探针3、短路探针4圆心位置与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为6～14度，短路探针3、短路探针4半径R2为0.2mm～0.4mm，短路探针3、短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。
[0033] 所述的同轴接头5距介质基板1横向对称轴的距离L0为0.8mm～1.2mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为1.8mm～2.2mm。
[0034] 所述的方环形圆极化植入式天线外表面镀一层生物相容材料氧化铝，厚度为0.03mm，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离人体组织与圆极化植入式天线，减小人体组织对天线性能的影响。
[0035] 实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择Rogers RO3210介质基板，介电常数εr＝10.2，损耗正切tanδ＝0.003，厚度H＝0.635mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板1的长L为10mm，宽W为10mm。在方形环四个边上开相同尺寸的矩形槽，形成蜿蜒曲折结构，能够延长辐射单元表面电流路径，缩小天线的尺寸。方环形辐射贴片2的方形环2-1距介质基板边缘的距离W2为0.2mm，方形环2-1的四周宽度L4为1.05mm，方形环2-1四周的矩形槽长L6为0.81mm，宽W3为0.24mm，蜿蜒曲折结构的宽度L5为0.24mm，方环形辐射贴片2内侧中心位置的八个三角形加载单元为等腰直角三角形，直角边的长度W1为2.9mm，八个三角形加载单元之间的缝隙宽度L3为0.2mm，将八个三角形加载单元与方形环2-1相连接的高阻抗矩形导带宽L2为0.35mm，连接三角形加载单元2-4、三角形加载单元2-5和三角形加载单元2-8、三角形加载单元2-9的矩形导带长L1为0.5mm。在方环形辐射贴片中间加载八个三角形加载单元，能够有效增加单位长度的有效电容和电感分布，增大传播常数，从而使天线的谐振频率向低频方向偏移。将两组三角形加载单元缝隙延伸至方形环边缘形成开路结构，在两组三角形加载单元靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而在空间上形成幅值相等且相位差值为90度的正交分量，产生圆极化特性，通过调整连接矩形的尺寸可以使圆极化纯度得到进一步优化。地板采用完整的方形结构，在植入式无线生物医疗装置中能够形成屏蔽层，减小天线对植入式无线生物医疗装置其它电子元件的干扰，提升植入式天线的电磁兼容能力。短路探针3、短路探针4距介质基板1中心的距离R1为2.8mm，短路探针3、短路探针4圆心位置与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为10度，短路探针3、短路探针4半径R2为0.3mm，短路探针3、短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。增加两个短路探针能够引入新的谐振点，进而展宽植入式天线的轴比带宽。同轴接头5距介质基板1横向对称轴的距离L0为1mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为2mm。方环形圆极化植入式天线外表面镀一层生物相容材料氧化铝，厚度为0.03mm，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离人体组织与圆极化植入式天线，减小人体组织对天线性能的影响。
[0036] 选取方形环四周的矩形槽长L6、宽W3分析对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图4所示，分别选取L6＝0.7mm、W3＝0.1mm、L6＝0.81mm、W3＝0.24mm和L6＝0.9mm、W3＝0.3mm这三种情况对天线性能进行分析，从图4中可以看出，随着矩形槽尺寸的增加，圆极化植入式天线谐振点向低频处偏移，轴比性能最佳频率点也随之向低频处偏移，说明天线小型化程度得到改善，原因是在方形环四个边上开相同尺寸的矩形槽，形成蜿蜒曲折结构，能够延长辐射单元表面电流路径，缩小天线的尺寸。当L6＝0.81mm、W3＝0.24mm时，圆极化植入式天线能够获得较好的性能，阻抗带宽和轴比带宽都
覆盖所需的WMTS 1.43GHz频段。
[0037] 选取八个三角形加载单元直角边的长度W1分析对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图5所示，分别选取W1＝2.8mm、W1＝2.9mm和W1＝3mm这三种情况对天线性能进行分析，从图5中可以看出，随着三角形加载单元直角边的长度的增加，圆极化植入式天线谐振频率向低频方向偏移，轴比性能最佳频率点也随之向低频处偏移，谐振程度先增加后减小，轴比性能最佳频率点也随之向低频移动，原因是在方环形辐射贴片中间加载八个三角形加载单元，能够有效增加单位长度的有效电容和电感分布，增大传播常数，从而使天线的谐振频率向低频方向偏移。当W1＝2.9mm时，圆极化植入式天线能够获得较好的性能，阻抗带宽和轴比带宽都覆盖所需的WMTS 1.43GHz频段。
[0038] 选取两组三角形加载单元的连接矩形导带长L1分析对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，如图6所示，分别选取L1＝0.4mm、L1＝0.5mm和L1＝0.6mm这三种情况对天线性能进行分析，从图6中可以看出，圆极化植入式天线的谐振程度先增加后减小，谐振点略向低频偏移，轴比性能最低值先减小后增加，说明矩形导带的长度对天线阻抗匹配和极化纯度影响较大，原因是在两组三角形加载单元靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而在空间上形成幅值相等且相位差值为90度的正交分量，产生圆极化特性，通过调整连接矩形的尺寸可以使圆极化纯度得到进一步优化。
[0039] 本发明设计的圆极化植入式天线主要应用环境为皮肤层，在实际植入过程中，植入
精度无法如此精确，因此分析植入深度对天线性能的影响，皮肤模型上层与天线上表面的距离为H，植入皮肤层深度示意图如图7所示，不同植入深度H对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图8所示，随着植入深度的增加，圆极化植入式天线的谐振点略微向低频偏移，谐振程度逐渐增加，所需的WMTS 1.43GHz频段仍然能够得到很好的覆盖，轴比性能最低值逐渐增加，但这三个植入深度圆极化性能仍然能够覆盖所需的WMTS 1.43GHz频段。
[0040] 将植入式圆极化天线放置在模拟人体组织环境中，使用
矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽，通过体外天线配合的间接方式测试天线的轴比带宽，阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果与测试结果如图9所示，植入式天线的仿真阻抗带宽为1.34GHz～1.49GHz，谐振频率为1.43GHz，仿真轴比带宽为1.35GHz～1.47GHz，实测阻抗带宽为1.33GHz～1.45GHz，谐振频率为1.42GHz，谐振程度有所增加，实测轴比带宽为1.34GHz～1.46GHz，轴比带宽能够覆盖工作频率，实测与仿真结果一致性良好，圆极化植入式天线工作带宽较宽，工作频带内阻抗特性和轴比特性较好，谐振频率和轴比带宽中心略向低频处偏移，造成偏移的原因主要是植入式天线与模拟人体组织之间存在气泡、加工测试误差、同轴
电缆对天线测试的影响和测试环境与仿真环境介电常数存在差异所导致。
[0041] 对天线在1.43GHz频率点处的E面和H面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图10、图11所示。从方向图可以看出，植入式圆极化天线的主极化是右旋圆极化，右旋最大增益值为-23dBic，主要是在两组三角形加载单元靠中心位置通过矩形导带连接，产生几何扰动，从而产生右旋圆极化特性，天线在工作频段内辐射特性良好，轴比波束较宽，适用于WMTS 1.43GHz工作频带，能够满足复杂植入环境的需求。
[0042] 对圆极化植入式天线安全性进行综合分析，给圆极化植入式天线提供1W的输入
信号，利用平均SAR值评估人
体模型吸收
能量的安全范围，经仿真计算，圆极化植入式天线在1.43GHz处的最大1-/10-gSAR值259.2/28.4W/kg，经计算可以得出，为符合FCC及IEEE对SAR值的安全标准，圆极化植入式天线最大允许输入功率为5.18mW、41.5mW，圆极化植入式天线满足上述条件下的
电磁辐射对人体组织是安全无害的。
