CN112768891B - 引入双半圆谐振环t形容性加载的植入式圆极化天线 - Google Patents

引入双半圆谐振环t形容性加载的植入式圆极化天线 Download PDF

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Abstract

引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，属于植入式天线技术领域。为了解决现有的技术中主要存在天线的体积较大、带宽有限的问题。本发明辐射贴片设置在介质基板的上表面，地板设置在介质基板的下表面，下短路探针、上短路探针和同轴接头分别嵌入在介质基板中，且同轴接头的内芯与辐射贴片相连接，同轴接头的外芯与地板相连接，外侧圆环与内侧圆环之间形成一圆环槽，多个T形容性加载枝节置于圆环槽内，两个双半圆谐振环设置在内侧圆环的圆心槽内且两个双半圆谐振环关于内侧圆环的圆心中心对称，两个双半圆谐振环分别通过两条第一矩形导带与内侧圆环相连接。主要用于植入式圆极化天线的制作。

Description

引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线
技术领域
本发明涉及植入式天线技术领域，具体涉及引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，适用于ISM 2.45GHz频段的植入式圆极化无线生物医疗装置。
背景技术
随着医学技术的不断发展，植入式医疗设备备受科研人员的关注，植入式医疗设备可用于人体健康监测、药物特异性释放、疾病预防和仿生假肢等众多领域，其优点在于监测中心与患者之间不受距离的限制，可以实时监测患者生命体征或者操纵植入式设备检测患者安全情况，植入式医疗设备的数据遥测和无线能量传输已经成为研究的焦点。
植入式医疗设备的应用频段主要有两个，即：植入式医疗通信服务频段(MICS，401-406MHz)和医疗与工业、科学频段(ISM，902-928MHz和2.42-2.48GHz)。在人体组织中，信号传输的衰减会随频率的降低而减小，因此选择ISM频段设计天线的方案最佳，波长较小容易设计出较小尺寸的植入式天线。植入式天线是植入式医疗设备的关键器件，工作于生物组织内部，由于生物体内各个器官的电参数存在变化而影响植入式天线整体性能，因此，要求其工作带宽、体积小、生物兼容性好和对人体辐射较小，具有一定的抗干扰能力，能够保证植入式天线与外部接收设备能够实现良好的数据传输。
植入式圆极化天线具有误码率低、抗多径干扰和抗干扰能力强等优点，能够抑制多径干扰，发射和接收与角度无关，因此，设计性能良好的植入式圆极化天线具有重要的意义。实现圆极化特性的主要方法有：1)、在辐射贴片上开特定结构的缝隙，使表面电流沿缝隙蜿蜒流动，进而增加天线表面电流路径，在天线表面开特定结构的缝隙可以产生相位差90度的极化简并模，使天线产生圆极化特性；2)、采用口径耦合馈电方法可以实现圆极化特性，此种方法馈电位置比较灵活，地板可以将馈线和辐射单元很好的隔离开；3)、在辐射单元对角线上馈电，并引入切片电阻，可以实现圆极化性能；4)、辐射单元采用口径耦合或者开槽技术，通过多个馈电点馈电可以实现圆极化性能，缝隙近似于一个谐振结构，与辐射单元的谐振频率接近可以展宽带宽。非专利文献1公开了一种加载短路枝节的圆环形植入式小型化天线，在圆环内侧增加一对开路短枝节实现圆极化特性，在圆环上开矩形槽增加有效电流路径缩小天线尺寸，尺寸为π×(5.5mm)2×1.27mm，阻抗带宽为2.31-2.51GHz，相对带宽为8.3％，该天线的体积较大，带宽有限。
植入式天线小型化的方法主要包括：1)、增加相对介电常数；曲流技术，在辐射贴片上开槽或者缝隙，引导电流沿着槽缝分布，从而延长天线表面电流路径，使谐振频率向低频方向偏移；2)、天线加载技术，在辐射贴片和地板之间引入短路探针、短路片或者短路面，形成四分之一波长结构，缩小天线尺寸；3)、容性感性加载技术能够抵消感性阻抗，实现天线的小型化和阻抗匹配。非专利文献2公开了一种容性加载圆极化植入式天线，通过容性加载的方式进一步缩小天线的尺寸，在辐射单元表面切角产生几何微扰实现圆极化特性，尺寸为10mm×10mm×1.27mm，阻抗带宽为2.36-2.55GHz，相对带宽为7.7％，轴比带宽为2.44-2.48GHz，该天线带宽有限。应用于人体内部的植入式天线需要满足生物兼容性需求，避免植入式天线直接与人体组织直接接触，常用的方法是在天线表面镀一层绝缘的生物兼容性薄膜，但需要根据设计天线的工作频段选择生物兼容材料的介电常数和镀膜厚度。
因此现有的技术中主要存在天线的体积较大、带宽有限的问题。
引用文献列表
非专利文献1：Li R.,Guo Y.X.,Zhang B.,et al.A miniaturized circularlypolarized implantable annular-ring antenna[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2017,16:2566-2569.
非专利文献2：Liu C.,Guo Y.X.,Xiao S..Capacitively loaded circularlypolarized implantable patch antenna for ISM band biomedical applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(5):2407-2417.
发明内容
本发明是为了解决现有的技术中主要存在天线的体积较大、带宽有限的问题。现提供一种引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线。
技术方案
引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线包括介质基板、辐射贴片、下短路探针、上短路探针、同轴接头和地板，所述的辐射贴片设置在介质基板的上表面，地板设置在介质基板的下表面，下短路探针、上短路探针和同轴接头嵌入在介质基板、辐射贴片和地板中，且同轴接头的内芯与辐射贴片相连接，同轴接头的外芯与地板相连接。
所述的辐射贴片包括两个双半圆谐振环、两条第一矩形导带、内侧圆环、外侧圆环和多个T形容性加载枝节，所述的外侧圆环套在内侧圆环外，且外侧圆环与内侧圆环之间形成一圆环槽，多个T形容性加载枝节置于圆环槽内，两个双半圆谐振环设置在内侧圆环的圆心槽内且两个双半圆谐振环关于内侧圆环的圆心中心对称，两个双半圆谐振环分别通过两条第一矩形导带与内侧圆环相连接。
进一步的，每个双半圆谐振环包括外侧半圆环、内侧半圆环、两条第二矩形导带、两条L形条带和矩形条带，所述的外侧半圆环和内侧半圆环上下并列且同心设置，外侧半圆环和内侧半圆环的两端分别通过两条第二矩形导带相连接，且外侧半圆环的中间引出矩形条带，将内侧半圆环分割成左右对称的两部分，两条L形条带对称设置在矩形条带的两侧，且两条L形条带的长边的顶点分别与内侧半圆环相连接，L形条带与内侧半圆环的连接点为内侧半圆环的被分割点。
进一步的，所述的两条L形条带的短边长度不同。
进一步的，所述的多个T形容性加载枝节包括多个第一T形枝节和多个第二T形枝节，所述的第一T形枝节和第二T形枝节均为T字型，且二者的T字头均为朝向内侧圆环中心弯折的弧形段，第一T形枝节和第二T形枝节交替设置，第一T形枝节的尾端与外侧圆环相连接，第二T形枝节的尾端与内侧圆环相连接。
进一步的，所述的下短路探针和上短路探针镶嵌在介质基板中的位置分别处于内侧圆环的下侧和上侧，且下短路探针和上短路探针关于内侧圆环的圆心中心对称。
进一步的，所述的同轴接头镶嵌在介质基板中的位置处于内侧圆环的右侧对称轴上。
进一步的，所述的地板为一个圆形的金属贴片结构，且地板的尺寸与介质基板的尺寸保持一致。
有益效果
1)、本发明设计了引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，在辐射贴片中心加载两个双半圆谐振环，形成圆极化器结构，产生极化正交模，将线极化波转换为圆极化波，该圆极化器结构紧凑并能够聚集较高的电磁能量，从而展宽天线的阻抗带宽，天线的工作带宽为2.33GHz～2.96GHz，相对带宽达23.82％，调节矩形条带和L形条带的长度可以增强植入式天线的圆极化特性，天线的实际增益为-27.3dBi；
2)、在内侧圆环和外侧圆环之间增加T形容性加载枝节，可以抵消感性阻抗，产生容性加载特性，进一步缩小植入式天线的设计尺寸，在相同带宽要求下天线的尺寸仅为π×(5)2×0.635mm3，较常规天线约减少了26％；
3)、地板为一个圆形的金属贴片结构，在植入式圆极化天线与下层植入式医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，可以降低植入式圆极化天线对其它电子器件的干扰，提高植入式圆极化天线的电磁兼容性能；
4)、该植入式圆极化天线为平面结构，具有小型化、宽频带、圆极化、抗干扰、生物兼容性优良等特性，适用于ISM 2.45GHz频段，满足无线生物医疗装置植入人体组织环境后的工作需求。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图。
图2是本发明的侧面结构示意图。
图3是本发明的背面结构示意图。
图4是本发明的结构细节示意图。
图5是本发明仿真与实测阻抗带宽和轴比带宽曲线。
图6是本发明在频率为2.45GHz时的E面辐射方向图。
图7是本发明在频率为2.45GHz时的H面辐射方向图。
图8是本发明植入单层皮肤组织模型示意图。
具体实施方式
本发明中所阐述的上、下、左、右与图中所对应的位置相同。
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，图1和图4中的方向以XZY视角进行表述，其中同轴接头的圆心与内侧圆环的圆心连线为ZX轴，正方向为内侧圆环的圆心指向同轴接头的圆心；ZY轴与ZX轴垂直，正方向为上短路探针所在一侧的方向；
本实施方式所述的引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，它包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、下短路探针(3)、上短路探针(4)、同轴接头(5)和地板(6)，所述的辐射贴片(2)设置在介质基板(1)的上表面，地板(6)设置在介质基板(1)的下表面，下短路探针(3)、上短路探针(4)和同轴接头(5)分别嵌入在介质基板(1)、辐射贴片(2)和地板(6)中，且同轴接头(5)的内芯与辐射贴片(2)相连接，同轴接头(5)的外芯与地板(6)相连接。
其中，介质基板1的半径R均为4.5mm～5.5mm，介质基板1的半径R的尺寸直接决定了天线的设计体积。
所述的辐射贴片(2)包括两个双半圆谐振环(2-1)、两条第一矩形导带(2-2)、内侧圆环(2-3)、外侧圆环(2-4)和多个T形容性加载枝节(2-5)，所述的外侧圆环(2-4)套在内侧圆环(2-3)外，且外侧圆环(2-4)与内侧圆环(2-3)之间形成一圆环槽，多个T形容性加载枝节(2-5)置于圆环槽内，两个双半圆谐振环(2-1)设置在内侧圆环(2-3)的圆心槽内且两个双半圆谐振环(2-1)关于内侧圆环(2-3)的圆心中心对称，两个双半圆谐振环(2-1)分别通过两条第一矩形导带(2-2)与内侧圆环(2-3)相连接；在辐射贴片中心加载两个双半圆谐振环(2-1)，形成圆极化器结构，产生极化正交模，将线极化波转换为圆极化波，该圆极化器结构紧凑并能够聚集较高的电磁能量，从而展宽天线的阻抗带宽。
其中，内侧圆环2-3外圆半径R4为3.8mm～4.1mm，内侧圆环(2-3)的圆心槽半径R1为3.2mm～3.5mm；第一矩形导带宽W1为0.3mm～0.5mm；外侧圆环2-4外圆半径R2为4.6mm～4.8mm，内圆半径R3为4.4mm～4.5mm。
具体实施方式二：参照图4具体说明本实施方式。
本实施方式是对具体实施方式一所述的双半圆谐振环(2-1)作进一步说明，本实施方式中，如图1所示，每个双半圆谐振环(2-1)包括外侧半圆环(2-1-1)、内侧半圆环(2-1-2)、两条第二矩形导带(2-1-3)、两条L形条带(2-1-4)和矩形条带(2-1-5)，实际上内侧半圆环(2-1-2)中间被分割截断，即内侧半圆环包括两个1/4圆；所述的外侧半圆环(2-1-1)和内侧半圆环(2-1-2)上下并列且同心设置，外侧半圆环(2-1-1)的两端和内侧半圆环(2-1-2)的两端(两个1/4圆构成内侧半圆的两端)分别通过两条第二矩形导带(2-1-3)相连接，且外侧半圆环(2-1-1)的中间引出矩形条带(2-1-5)，将内侧半圆环(2-1-2)分割成左右对称的两部分，两条L形条带(2-1-4)对称设置在矩形条带(2-1-5)的两侧，且两条L形条带(2-1-4)的长边的顶端分别与内侧半圆环(2-1-2)相连接，L形条带(2-1-4)与内侧半圆环(2-1-2)的连接点为内侧半圆环(2-1-2)的被分割点(1/4圆的一端)；
其中，外侧半圆环(2-1-1)的外圆半径R5为2.8mm～3mm，内圆半径R6为2.4mm～2.6mm，内侧半圆环(2-1-2)外圆半径R7为2.1mm～2.3mm，内圆半径R8为1.8mm～2mm，第二矩形条带长度L1为0.2mm～0.4mm，矩形条带的长度L4为1.8mm～2.1mm，宽度W2为0.22mm～0.28mm。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的L形条带作进一步说明，本实施方式中，如图1所示，为了调节天线的圆极化特性，所述的两条L形条带的短边长度不同；两个L形条带的下端设置的长度不同，通过加载两个双半圆谐振环(2-1)，形成圆极化器结构，产生极化正交模，圆极化器结构将线极化波转换为圆极化波，该圆极化器结构紧凑并能够聚集较高的电磁能量，调节矩形条带(2-1-5)和L形条带(2-1-4)短边的长度可以调节植入式天线的圆极化纯度；
其中，矩形条带左边的L形条带(以图1中的标记为基准)长边的长度L3为2.1mm～2.3mm，宽度W3为0.2mm～0.4mm，L形条带短边的宽度L2为0.2mm～0.4mm，长度W4为0.7mm～0.9mm，矩形条带右边的L形条带短边的长度W6为0.8mm～1mm，其它尺寸与矩形条带左边的L形条带保持一致，矩形条带右边的L形条带和左边的L形条带之间的距离W5为0.4mm～0.6mm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的T形容性加载枝节(2-5)作进一步说明，本实施方式中，如图1所示，所述的多个T形容性加载枝节(2-5)包括多个第一T形枝节(2-5-1)和多个第二T形枝节(2-5-2)，所述的第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)均为T字型，且二者的T字头均为朝向内侧圆环(2-3)中心弯折的弧形段，第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)交替设置，第一T形枝节(2-5-1)的尾端与外侧圆环(2-4)相连接，第二T形枝节(2-5-2)的尾端与内侧圆环(2-3)相连接；通过增加T形容性加载枝节2-5可以抵消感性阻抗，产生容性加载特性，进一步缩小植入式天线的设计尺寸；
其中，第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)的T字头弧形段(或者顶端圆环)的角度a1为12度～18度，T形容性加载枝节(2-5)的下端竖直的矩形导带宽度W7为0.12mm～0.15mm，两种T形枝节顶端圆环角度和下端的矩形导带宽度保持一致，第二T形枝节(2-5-2)的顶端圆环外圆半径R12为4.4mm～4.45mm，内圆半径R11为4.28mm～4.31mm，第一T形枝节(2-5-1)的顶端圆环外圆半径R10为4.19mm～4.23mm，内圆半径R9为4.05mm～4.12mm。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的下短路探针(3)和上短路探针(4)作进一步说明，本实施方式中，所述的下短路探针(3)和上短路探针(4)镶嵌在介质基板(1)中的位置分别处于内侧圆环(2-3)的下侧和上侧，为了增加谐振点，进一步缩小植入式天线的设计尺寸，下短路探针(3)和上短路探针(4)关于内侧圆环(2-3)的圆心中心对称；
如图3所示，所述的下短路探针3和上短路探针4的半径R13为0.2mm～0.4mm，为了调节天线的阻抗匹配，使性能更加优良，下短路探针3和上短路探针4中心距介质基板1纵向对称轴的夹角a2为3度～8度，下短路探针3、上短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的同轴接头(5)作进一步说明，本实施方式中，所述的同轴接头(5)镶嵌在介质基板(1)中的位置处于内侧圆环(2-3)的右侧且位于对称轴上；同轴接头(5)的位置是通过软件仿真优化而得出的，在此种结构中这个位置最佳。
如图3所示，所述的同轴接头5位于介质基板1横向对称轴上，距介质基板1中心的距离R15为3.5mm～3.7mm。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的地板(6)作进一步说明，本实施方式中，所述的地板(6)为一个圆形的金属贴片结构，且地板(6)的尺寸与介质基板(1)的尺寸保持一致。所述的地板6在植入式圆极化天线与下层植入式医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，可以降低植入式圆极化天线对其它电子器件的干扰，提高植入式圆极化天线的电磁兼容性能。
所述的地板6为一个完整的圆形金属贴片，地板6的尺寸与介质基板1的尺寸保持一致，半径R为4.5mm～5.5mm。
所述的引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线的外表面镀一层对天线反射系数和增益影响较小的生物兼容薄膜氧化铝，与介质基板1的介电常数相近，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，镀膜厚度为0.03mm，通过镀膜可以隔离植入式圆极化天线与人体组织，防止植入式圆极化天线的导电贴片与人体组织直接接触，从而有效降低人体组织对植入式圆极化天线性能的影响。
下面以实施例进行具体说明。
实施例：
所述的引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，它包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、下短路探针(3)、上短路探针(4)、同轴接头(5)和地板(6)；
其中，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，介质基板1的半径R均为5mm。
所述的辐射贴片(2)设置在介质基板(1)的上表面，它包括两个双半圆谐振环(2-1)、两条第一矩形导带(2-2)、内侧圆环(2-3)、外侧圆环(2-4)和多个T形容性加载枝节(2-5)。
其中，内侧圆环2-3外圆半径R4为4mm，内侧圆环(2-3)的圆心槽半径R1为3.35mm；外侧圆环2-4外圆半径R2为4.7mm，内圆半径R3为4.5mm；第一矩形导带宽W1为0.4mm；
所述的外侧圆环(2-4)套在内侧圆环(2-3)外，且外侧圆环(2-4)与内侧圆环(2-3)之间形成一圆环槽，多个T形容性加载枝节(2-5)置于圆环槽内。
两个双半圆谐振环(2-1)设置在内侧圆环(2-3)的圆心槽内且两个双半圆谐振环(2-1)关于内侧圆环(2-3)的圆心中心对称，两个双半圆谐振环(2-1)分别通过两条第一矩形导带(2-2)与内侧圆环(2-3)相连接；
每个双半圆谐振环(2-1)包括外侧半圆环(2-1-1)、内侧半圆环(2-1-2)、两条第二矩形导带(2-1-3)、两条L形条带(2-1-4)和矩形条带(2-1-5)，所述的外侧半圆环(2-1-1)和内侧半圆环(2-1-2)上下并列且同心设置，外侧半圆环(2-1-1)和内侧半圆环(2-1-2)的两端分别通过两条第二矩形导带(2-1-3)相连接；
其中，外侧半圆环(2-1-1)的外圆半径R5为2.9mm，内圆半径R6为2.5mm，内侧半圆环(2-1-2)外圆半径R7为2.2mm，内圆半径R8为1.9mm，第二矩形条带长度L1为0.3mm，矩形条带的长度L4为1.9mm，宽度W2为0.26mm；
所述的外侧半圆环(2-1-1)的中间引出矩形条带(2-1-5)，将内侧半圆环(2-1-2)分割成左右对称的两部分，两条L形条带(2-1-4)对称设置在矩形条带(2-1-5)的两侧，且两条L形条带(2-1-4)的长边的顶点分别与内侧半圆环(2-1-2)相连接，L形条带(2-1-4)与内侧半圆环(2-1-2)的连接点为内侧半圆环(2-1-2)的被分割点；为了调节天线的圆极化特性，所述的两条L形条带的短边长度不同；两个L形条带的下端设置的长度不同，通过加载两个双半圆谐振环(2-1)，形成圆极化器结构，产生极化正交模，圆极化器结构将线极化波转换为圆极化波，该圆极化器结构紧凑并能够聚集较高的电磁能量，调节矩形条带(2-1-5)和L形条带(2-1-4)的长度可以调节植入式天线的圆极化纯度；
其中，矩形条带左边的L形条带(以图1中的标记为基准)长边的长度L3为2.2mm，宽度W3为0.3mm，L形条带短边的宽度L2为0.3mm，长度W4为0.8mm，矩形条带右边的L形条带短边的长度W6为0.9mm，其它尺寸与矩形条带左边的L形条带保持一致，矩形条带右边的L形条带和左边的L形条带之间的距离W5为0.5mm；
如图1所示，所述的多个T形容性加载枝节(2-5)包括多个第一T形枝节(2-5-1)和多个第二T形枝节(2-5-2)，所述的第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)均为T字型，且二者的T字头均为朝向内侧圆环(2-3)中心弯折的弧形段，第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)交替设置，第一T形枝节(2-5-1)的尾端与外侧圆环(2-4)相连接，第二T形枝节(2-5-2)的尾端与内侧圆环(2-3)相连接；通过增加T形容性加载枝节2-5可以抵消感性阻抗，产生容性加载特性，进一步缩小植入式天线的设计尺寸；
其中，第一T形枝节(2-5-1)和第二T形枝节(2-5-2)的T字头弧形段(或者顶端圆环)的角度a1为14度，T形容性加载枝节(2-5)的下端竖直的矩形导带宽度W7为0.13mm，两种T形枝节顶端圆环角度和下端的矩形导带宽度保持一致，第二T形枝节(2-5-2)的顶端圆环外圆半径R12为4.42mm，内圆半径R11为4.29mm，第一T形枝节(2-5-1)的顶端圆环外圆半径R10为4.21mm，内圆半径R9为4.29mm；
所述的地板(6)设置在介质基板(1)的下表面，所述的地板(6)为一个圆形的金属贴片结构，且地板(6)的尺寸与介质基板(1)的尺寸保持一致，半径R为5mm，所述的地板6在植入式圆极化天线与下层植入式医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，可以降低植入式圆极化天线对其它电子器件的干扰，提高植入式圆极化天线的电磁兼容性能。
所述的下短路探针(3)、上短路探针(4)和同轴接头(5)分别嵌入在介质基板(1)中，且同轴接头(5)的内芯与辐射贴片(2)相连接，同轴接头(5)的外芯与地板(6)相连接，所述的下短路探针(3)和上短路探针(4)镶嵌在介质基板(1)中的位置分别处于内侧圆环(2-3)的下侧和上侧，下短路探针3、上短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等，所述的下短路探针3和上短路探针4的半径R13为0.3mm，为了增加谐振点，进一步缩小植入式天线的设计尺寸，下短路探针(3)和上短路探针(4)关于内侧圆环(2-3)的圆心中心对称，下短路探针3和上短路探针4中心距介质基板1纵向对称轴的夹角a2为5度；所述的同轴接头(5)镶嵌在介质基板(1)中的位置处于内侧圆环(2-3)的右侧对称轴上，同轴接头5距介质基板1中心的距离R15为3.65mm；
将本实施例中的植入式圆极化天线的外表面镀一层对天线反射系数和增益影响较小的生物兼容薄膜氧化铝，与介质基板1的介电常数相近，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，镀膜厚度为0.03mm，通过镀膜可以隔离植入式圆极化天线与人体组织，防止植入式圆极化天线的导电贴片与人体组织直接接触，从而有效降低人体组织对植入式圆极化天线性能的影响。
将本实施例中的植入式圆极化天线在单层模拟人体组织中进行性能参数仿真，仿真环境的尺寸为90mm×90mm×30mm，仿真环境的电学性质与人体皮肤组织相同，电导率为1.44S/m，介电常数εr为37.88，植入式圆极化天线设置在单层皮肤组织模型中心位置，植入式圆极化天线表面与单层皮肤组织模型上表面的距离为H为6mm，植入式圆极化天线植入单层皮肤组织模型示意图如图8所示，通过HFSS软件仿真得到阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果，植入式圆极化天线的仿真阻抗带宽为2.3GHz～2.93GHz，谐振频率为2.45GHz和2.67GHz，在主辐射方向上获得的仿真轴比带宽为2.32GHz～2.79GHz。
将本实施例中的植入式圆极化天线放置在模拟人体皮肤的溶液中进行测试，皮肤溶液包括去离子水58.2％，二乙二醇单丁醚5.1％和聚乙二醇辛基苯基醚36.7％，通过体外线极化偶极子天线配合的间接方式测试天线的阻抗带宽和轴比带宽，实测阻抗带宽为2.33GHz～2.96GHz，谐振频率为2.46GHz和2.69GHz，在主辐射方向上获得的实测轴比带宽为2.34GHz～2.82GHz。
阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果与测试结果对比如图5所示，从图中可以看出，仿真结果与测试结果基本保持一致，在ISM频段能产生很好的谐振，实测阻抗带宽和轴比带宽能够覆盖所需的工作频率，工作频带内阻抗特性和轴比特性良好，与仿真阻抗带宽和轴比带宽相比，实测阻抗带宽的谐振程度有一定程度增加，实测谐振频率与轴比系数略向高频方向偏移，造成偏移的原因主要是植入式天线加工测试误差、同轴电缆、模拟人体组织溶液对天线测试的影响以及仿真测试环境介电常数存在差异所导致。
对植入式圆极化天线在2.45GHz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6、图7所示。从辐射方向图可以看出，天线的方向性较好，植入式圆极化天线的最大辐射方向沿Z轴方向，即朝向人体外侧，主极化为左旋圆极化，沿Z轴方向的实际增益值为-27.3dBi，左旋圆极化与右旋圆极化之间相差33.6dB，主要是通过在辐射贴片中心加载两个双半圆谐振环，形成圆极化器结构，产生极化正交模，将线极化波转换为圆极化波，该圆极化器结构紧凑并能够聚集较高的电磁能量，天线在工作频段内轴比波束较宽，辐射特性优良，适用于ISM 2.45GHz工作频带，具有良好的调谐其工作范围的能力，在不同的植入环境中能够满足高质量的信号传输需求，适用于植入式医疗设备。
考虑到植入人体组织的安全因素，利用CST微波工作室对植入式圆极化天线安全性进行综合分析，设定植入式圆极化天线净输入功率为1W，通过平均比吸收率(SAR)值评估人体模型吸收能量的安全范围，植入式圆极化天线在2.45GHz处的1-g人体组织峰值比吸收率(SAR)值为345.7W/kg，经研究和仿真，植入式圆极化天线净输入功率应小于4.45mW，符合IEEEC95.1-1999及IEEEC95.1-2005对SAR值的安全标准(在任何1-g立方组织上平均1.6W/kg)。由于植入式天线的输入功率一般为0.1mW，远小于植入式圆极化天线允许的净输入功率，因此，设计的植入式圆极化天线满足上述条件，产生的电磁辐射对人体组织是安全无害的。

Claims (7)

1.引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，它包括介质基板（1）、辐射贴片（2）、下短路探针（3）、上短路探针（4）、同轴接头（5）和地板（6），所述的辐射贴片（2）设置在介质基板（1）的上表面，地板（6）设置在介质基板（1）的下表面，下短路探针（3）、上短路探针（4）和同轴接头（5）嵌入在介质基板（1）、辐射贴片（2）和地板（6）中，且同轴接头（5）的内芯与辐射贴片（2）相连接，同轴接头（5）的外芯与地板（6）相连接；
其特征在于：所述的辐射贴片（2）包括两个双半圆谐振环（2-1）、两条第一矩形导带（2-2）、内侧圆环（2-3）、外侧圆环（2-4）和多个T形容性加载枝节（2-5），所述的外侧圆环（2-4）套在内侧圆环（2-3）外，且外侧圆环（2-4）与内侧圆环（2-3）之间形成一圆环槽，多个T形容性加载枝节（2-5）置于圆环槽内，两个双半圆谐振环（2-1）设置在内侧圆环（2-3）的圆心槽内且两个双半圆谐振环（2-1）关于内侧圆环（2-3）的圆心中心对称，两个双半圆谐振环（2-1）分别通过两条第一矩形导带（2-2）与内侧圆环（2-3）相连接；
每个双半圆谐振环（2-1）包括外侧半圆环（2-1-1）、内侧半圆环（2-1-2）、两条第二矩形导带（2-1-3）、两条L形条带（2-1-4）和矩形条带（2-1-5），所述的外侧半圆环（2-1-1）和内侧半圆环（2-1-2）上下并列且同心设置，外侧半圆环（2-1-1）的两端和内侧半圆环（2-1-2）的两端分别通过两条第二矩形导带（2-1-3）相连接，且外侧半圆环（2-1-1）的中间引出矩形条带（2-1-5），将内侧半圆环（2-1-2）分割成左右对称的两部分，两条L形条带（2-1-4）对称设置在矩形条带（2-1-5）的两侧，且两条L形条带（2-1-4）的长边的顶端分别与内侧半圆环（2-1-2）相连接，L形条带（2-1-4）与内侧半圆环（2-1-2）的连接点为内侧半圆环（2-1-2）的被分割点。
2.根据权利要求1所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的两条L形条带的短边长度不同。
3.根据权利要求2所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的多个T形容性加载枝节（2-5）包括多个第一T形枝节（2-5-1）和多个第二T形枝节（2-5-2），所述的第一T形枝节（2-5-1）和第二T形枝节（2-5-2）均为T字型，且二者的T字头均为朝向内侧圆环（2-3）中心弯折的弧形段，第一T形枝节（2-5-1）和第二T形枝节（2-5-2）交替设置，第一T形枝节（2-5-1）的尾端与外侧圆环（2-4）相连接，第二T形枝节（2-5-2）的尾端与内侧圆环（2-3）相连接。
4.根据权利要求3所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的下短路探针（3）和上短路探针（4）镶嵌在介质基板（1）中的位置分别处于内侧圆环（2-3）的下侧和上侧，且下短路探针（3）和上短路探针（4）关于内侧圆环（2-3）的圆心中心对称。
5.根据权利要求4所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的同轴接头（5）镶嵌在介质基板（1）中的位置处于内侧圆环（2-3）的右侧且位于对称轴上。
6.根据权利要求5所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的地板（6）为一个圆形的金属贴片结构，且地板（6）的尺寸与介质基板（1）的尺寸保持一致。
7.根据权利要求1至6之一所述引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线，其特征在于：所述的引入双半圆谐振环T形容性加载的植入式圆极化天线的外表面镀一层氧化铝薄膜，介电常数ε r 为9.2，损耗正切tanδ为0.008，镀膜厚度为0.03mm。
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