【摘 要】
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移动医疗是当今先进医学的重要发展方向。有别于传统的医护过程,移动医疗具有高效率、低成本的特点,且能实时监控。植入式天线作为植入式移动医疗设备极其重要的部分,是体内和体外信息交流的关键器件。区别于有线通讯,使用植入式天线的无线通讯可以大大降低患者的就医痛苦。人体是一个活动的物体,加之复杂的人体环境,收发端产生极化失配是必然的,圆极化天线能很好地解决此类问题,极大地增加了植入式天线在复杂环境中的鲁棒性
【基金项目】
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广东省科技计划（No.2015B010101006、No.2014A010103014、No.2017xm057）； 国家自然科学基金（No.61372008）；
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移动医疗是当今先进医学的重要发展方向。有别于传统的医护过程,移动医疗具有高效率、低成本的特点,且能实时监控。植入式天线作为植入式移动医疗设备极其重要的部分,是体内和体外信息交流的关键器件。区别于有线通讯,使用植入式天线的无线通讯可以大大降低患者的就医痛苦。人体是一个活动的物体,加之复杂的人体环境,收发端产生极化失配是必然的,圆极化天线能很好地解决此类问题,极大地增加了植入式天线在复杂环境中的鲁棒性和容错率。此外,随着人们对于植入式器件功能需求的增加,具有多种工作模式的植入式天线也具有了重要的研究价值。本论文得到了广东省科技计划（No.2015B010101006、No.2014A010103014、No.2017xm057）,和国家自然科学基金（No.61372008）等项目的资助,研究用于恶劣医疗通讯条件下的植入式圆极化天线,主要工作包括:（1）CPW馈电的宽带圆极化植入式天线。为了适应人体多变的电磁环境和解决极化失配问题,设计了工作在2.45-GHz ISM频段,使用共面波导（Coplanar Waveguide,CPW）馈电的宽带圆极化天线。CPW馈电的优点在于带宽大,且单层的金属导体易于生产。通过在天线上开不对称的缝隙槽,实现了圆极化。仿真得到了2.24 GHz（1.15–3.39 GHz,98.68%）的阻抗带宽和920 MHz（2.29–3.21 GHz,33.45%）的轴比带宽,具有宽频特性。通过性能参数分析,天线具有较好的鲁棒性。实测得到1.26 GHz（2.17–33.43 GHz,45%）的阻抗带宽,和仿真结果有所偏差,但是依旧覆盖了所需频段。该设计使用了圆极化来解决医疗通讯中的极化失配问题,但在实际应用中,左右手圆极化天线之间依然会出现失配。所以本文使用可重构的思想,设计了圆极化状态可切换的植入式天线。（2）左右手圆极化可重构的植入式天线。天线工作在2.45-GHz ISM频段,采用了缝隙和短路引脚,实现了小型化。为了获得双圆极化模式,采用PIN二极管作为开关,以切换天线的极化状态。天线的尺寸为8.9 mm×6.6 mm×1.27 mm（74.6 mm~3）。通过仿真,天线的阻抗和轴比带宽分别为520 MHz（2.11–2.63 GHz,21.9%）和150MHz（2.38–2.53 GHz,6.1%）,峰值增益为-23.9 d Bi。半功率波束宽度（HPBW）覆盖了至少70°。3-d B轴比波束宽度（ARBW）覆盖了至少80°。天线实测结果表明,其阻抗带宽为620 MHz（2.12–2.74 GHz,25.5%）。通过外置圆极化天线的测量,天线的极化匹配效果的优化可以在2.27–2.61 GHz的频段内实现。由于解决了极化失配的问题,所提出的天线具有减少极化损耗的潜力。在上述设计中,天线仅能工作在单一状态。随着人们需求的上升,多频多功能的植入式天线成为研究热点,不但需要体内器件和体外器件的离体通讯,还需要体内器件之间的体内通讯。所以,本文设计了以下具有双频双辐射模式的圆极化植入式天线,以满足对多工作模式天线的需求。（3）双辐射模式的圆极化天线。在此设计中,基于微带天线,采用开槽和慢波结构,降低了谐振频率。通过加载短路引脚,激励出微带天线的不同工作模式。所设计的天线工作频率为915-MHz ISM频段用于全向的体内通信,2.45-GHz ISM频段用于圆极化的体外辐射。通过仿真,在915 MHz时,天线的阻抗带宽为70 MHz（0.87–0.94GHz,7.7%）;在2.45 GHz时,天线的阻抗带宽为300 MHz（2.38–2.68 GHz,11.3%）,轴比带宽为130 MHz（2.38–2.51 GHz,5.3%）。远场结果表明,在915 MHz时,天线具有–28.2 d Bi的全向增益,其半功率波束宽度覆盖了109°,在H-plane上全向面的不圆度为0.44 d B。在2.45 GHz的频点上,圆极化定向增益为–22.9 d Bi,半功率波束宽度为77°,轴比波束宽度为80°。通过测试得到了阻抗带宽为100 MHz（0.87–0.97 GHz,10.8%）,和690 MHz（2.21–2.90 GHz,27%）。最后,在微波暗室中验证了该天线实现了两种辐射模式。本文提出的圆极化植入式天线具有小尺寸、宽频带、鲁棒性高和多工作模式等特性,可用于移动医疗通讯系统中。希望可以通过本工作的相关研究内容,为圆极化植入式天线的设计提供帮助。
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