一种用于无线生物遥测系统的超宽带圆极化可植入天线的设计

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Design of an Ultra-Wide Bandwidth Circularly Polarized Implantable Antenna for Wireless Biological Telemetry Systems

本文设计了一种超宽带圆极化植入式天线，适用于生物无线遥测系统。该天线通过矩形槽和短路探针实现小型化，覆盖2.4GHz和1.9GHz频段，满足IEEE安全标准，并在皮肤、手臂、头及猪肉中测试，性能稳定。

　　

影响声明：

本文介绍了一种用于无线生物遥测系统的超宽带圆极化可植入天线。该天线的有效轴比带宽覆盖了2.4 GHz的工业、科学和医疗频段以及1.9 GHz的中场频段。其尺寸为0.028λ0×0.057λ0×0.004λ0（其中λ0表示自由空间中最低工作频率的波长）。通过在天线辐射贴片上添加矩形槽形成对称的矩形曲折结构，并引入短路探针来实现小型化。通过在接地平面上刻蚀正交矩形槽并优化短路探针的位置，该天线在1.9 GHz时获得了0.31 GHz的有效轴比带宽，在2.45 GHz时获得了0.53 GHz的有效轴比带宽，同时在1.9 GHz时的增益为?27.3 dBi，在2.45 GHz时的增益为?23.1 dBi。仿真验证了特定吸收率和链路裕度，所设计的天线符合IEEE安全标准（IEEE C95.1-1999）以及可靠通信的要求。最后，在皮肤、手臂、头部和切碎的猪肉中测试了该天线在植入设备中的性能，确认该天线能够在不同的植入环境中保持稳定的性能。

摘要：

本文介绍了一种用于无线生物遥测系统的超宽带圆极化可植入天线。该天线的有效轴比带宽覆盖了2.4 GHz的工业、科学和医疗频段以及1.9 GHz的中场频段。其尺寸为0.028λ0×0.057λ0×0.004λ0（其中λ0表示自由空间中最低工作频率的波长）。通过在天线辐射贴片上添加矩形槽形成对称的矩形曲折结构，并引入短路探针来实现小型化。通过在接地平面上刻蚀正交矩形槽并优化短路探针的位置，该天线在1.9 GHz时获得了0.31 GHz的有效轴比带宽，在2.45 GHz时获得了0.53 GHz的有效轴比带宽，同时在1.9 GHz时的增益为?27.3 dBi，在2.45 GHz时的增益为?23.1 dBi。仿真验证了特定吸收率和链路裕度，所设计的天线符合IEEE安全标准（IEEE C95.1-1999）以及可靠通信的要求。最后，在皮肤、手臂、头部和切碎的猪肉中测试了该天线在植入设备中的性能，确认该天线能够在不同的植入环境中保持稳定的性能。

引言

随着无线医疗遥测技术的进步，无线可植入医疗设备（WIMDs）已在医疗保健和健康监测中得到广泛应用，为人们的生活和工作带来了诸多便利[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。常见的可植入设备包括葡萄糖监测[6]、脑机接口[7]、[8]、心脏起搏器[9]、[10]、[11]、胶囊内窥镜[12]、[13]、[14]和舌驱动系统[15]。这些WIMDs的任务是将体内的物理数据或图像传输到外部接收设备。在此过程中，需要高效的可植入天线来进行数据遥测通信。人体内不同器官和组织的介电常数存在显著差异，这对可植入天线的设计提出了相当大的挑战。可植入天线的设计存在一系列限制，主要包括尺寸限制、生物相容性、患者安全性和组织耦合限制[16]。对于可植入医疗设备而言，长时间运行会耗尽其电池（电源），导致设备无法正常工作。频繁植入医疗设备可能会给患者带来不适，并增加伤口感染的风险。双频天线可以在两个不同的频段内工作，从而实现数据传输和无线电力传输的同步进行。因此，具有双频特性的天线可以为设备持续供电并传输数据[17]，有效延长设备的运行时间和寿命[18]。然而，人体内的复杂电磁环境和日常活动可能会影响可植入天线的无线通信可靠性。传统的线极化天线在复杂条件下容易出现通信链路极化不匹配、信号衰减和失真、数据传输速率降低以及系统稳定性差等问题。相比之下，圆极化天线可以有效解决上述问题。相对较宽的带宽可以抵消天线共振点在复杂环境中的漂移所导致的失谐效应。在[19]中，提出了一种适用于多种生物遥测应用的天线，该天线具有良好的抗失谐性能。在[20]中，介绍了一种双频圆极化可植入天线，其尺寸为797.69 mm3，工作在医疗植入通信服务（MICS）频段和工业、科学和医疗（ISM）频段，具有较低的特定吸收率（SAR）和宽带宽。小型化的可植入设备可以为用户提供更好的使用体验。在[21]中，设计了一种用于头部植入式无线通信的紧凑型三频段天线，尺寸为197 mm3，实现了相对较高的轴比增益。在[22]中，提出了一种用于头皮植入的生物医学遥测设备。作者通过在天线贴片表面开槽并添加短路探针实现了阻抗匹配和小型化，最终天线体积仅为9.8 mm3。然而，这些天线不具备圆极化（CP）特性。在[23]中，作者在辐射表面上刻蚀了一个改进的方形环，并在包层顶部使用了旋转对称的寄生贴片，实现了极宽的有效轴比带宽。最终天线的体积为85.38 mm3，并具有CP特性。上述提出的天线并不都具有小型化、超宽带和圆极化等特性。