CN209133683U - 无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板、印制在介质基板正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片、印制在介质基板背面的石墨烯接地板和外接的同轴接头构成。石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片和石墨烯接地板的材质均为石墨烯。在八边形缝隙加载辐射贴片中心设置星形辐射状贴片能进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰，能将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性。该植入式天线的尺寸仅为10×10mm，具有宽带、宽轴比波束、高增益、圆极化、低剖面、抗干扰等特点，生物相容性优良，适用于ISM 2.45GHz频带植入式圆极化无线生物医疗装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线生物医疗植入式天线技术领域，具体涉及无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，适用于ISM 2.45GHz频带植入式圆极化无线生物医疗装置。
背景技术
随着生活水平和健康意识的不断提高，研究便捷高效的植入式生物医疗装置已经成为当前研究的热点。无线生物医疗装置主要包括生物传感器、无线通信单元、供电单元等，植入式天线是无线通信单元中的核心器件。植入式天线的体积决定了植入式无线生物医疗装置植入患者体内所带来的不适感，这就要求植入式天线的体积要小，这是植入式天线的主要设计指标。人体与人体间的电磁特性具有差异性，且人体内不同组织的电磁特性也不尽相同，具有高介电常数、高损耗、非均匀的特点，这就要求植入式天线需要具有较宽的带宽，并且工作带宽内具有良好的阻抗匹配性能，以适应复杂的植入式环境。天线植入位置和患者移动均会导致与体外接收天线的相对位置发生变化，相对位置计算复杂，对线极化天线容易出现极化失配，导致通信链路失效，并且医院等环境会产生多径效应，如何保持收发天线之间通信稳定是当前研究的焦点。而圆极化植入式天线具有与任何方向线极化天线互相通信的极化特性，利用这一特性能够有效解决线极化与线极化天线之间出现的通信链路失效问题，同时圆极化植入式天线具有抗干扰能力强、误码率低、能够抗多径效应等优点。圆极化实现的方法主要包括单馈法和多馈法，主要形式包括微带天线、槽天线、环天线、偶极子天线等。单馈法实现圆极化的原理是通过增加几何微扰使简并正交模的谐振频率分离，产生幅度相等相位差90度的简并模，形成圆极化特性。单馈法设计的天线体积小、易集成，适用于植入式圆极化天线。非专利文献1：公开了一种单频小型宽带圆极化天线，采用单端口馈电，上层为一方形辐射贴片，下层为完整地板结构，在方形辐射贴片上加载十字缝隙实现圆极化特性，在辐射贴片中心加载两个短路点扩展频带，但该天线尺寸较大。多馈法实现圆极化的原理主要是增加馈电网络，优点是可以增加轴比带宽，但增加的馈电网络会使天线的体积增大，采用差分馈电也能够实现圆极化特性。非专利文献2：公开了一种地板开槽的差分植入式圆极化天线，天线由辐射贴片、接地板和介质基板组成，采用差分馈电，实现圆极化特性，辐射贴片中间开一六边形缝隙，四周增加四个相互垂直的矩形槽，延长电流路径，使谐振频率向低频段偏移，在地板上开一十字缝隙，增加阻抗带宽，但该天线的圆极化带宽较窄。石墨烯纳米材料具有超强的导电性、导热性、透明性及结构坚硬，是当前可制备的最薄材料，在生物医疗、电子通信、航空航天、新能源等多个领域有良好的应用前景。石墨烯材料的导电性能是普通材料的50倍，石墨烯具有的蜂窝结构能够产生较高的载流子密度，使其导电性能优良，在印刷天线中使用石墨烯材料能够大大提升天线效能，实现高效动态调节、高透明度、提升传输效率并降低损耗，满足植入式无线通信系统对天线的微型化需求，同时也能大大增加通信距离。国内外学者对石墨烯材料在天线领域的研究主要集中在太赫兹天线、方向图可重构天线、滤波天线、柔性天线、可穿戴天线，对石墨烯在植入式天线的研究相对较少。
引用文献列表
非专利文献1：杨贤涛，植入式医疗设备的圆极化天线研究，华南理工大学硕士学位论文， 2017:29-43.
非专利文献2：李兵，生物医学遥测圆极化天线研究，华南理工大学硕士学位论文，2017:33-43.
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，该天线具有宽带、宽轴比波束、圆极化、低剖面、抗干扰等特性，便于集成到植入式生物医疗装置中，适用于ISM 2.45GHz工作频带，能够满足复杂植入环境的需求。
本实用新型的技术方案是：无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板1、印制在介质基板1正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2、印制在介质基板1 背面的石墨烯接地板3和外接的同轴接头4构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2和石墨烯接地板3的材质均为石墨烯；其特征在于：
a.所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心为八边形缝隙2-1，八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙2-1与介质基板1平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2表面的电流路径，八边形缝隙2-1尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，八边形缝隙2-1中心加载星形辐射状贴片2-2，星形辐射状贴片2-2由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2上的矩形贴片相互交错，在石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心设置星形辐射状贴片2-2能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边2-3四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰2-12、2-13、2-14、2-15，通过设置几何微扰将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片外侧周边2-3四个边上开成对的矩形槽2-8、2-9、2-10、2-11，在辐射贴片外侧周边 2-3四个角上开与对角线平行的山形槽2-4、2-5、2-6、2-7，能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移；
b.所述的石墨烯接地板3为方形地板结构，位于介质基板1背面，采用方形地板结构能够有效降低植入式天线与无线生物医疗装置之间的电磁干扰，提高无线生物医疗装置的抗干扰性能；
c.所述的同轴接头4位于介质基板1背面对称轴上，同轴接头4内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2相连接，同轴接头4外圆柱导体与石墨烯接地板3相连接。
所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心为八边形缝隙2-1，八边形缝隙2-1长度与宽度W3为5.6mm～6mm，与介质基板1平行的边长度L12为 3mm～3.4mm，对应介质基板1四个角方向的边宽度W20为1.6mm～2mm，八边形缝隙2-1与介质基板1平行的边设置矩形凸起的长L9为0.1mm～0.3mm，宽W10为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙2-1 开的矩形槽的长L10为0.1mm～0.3mm，宽W11为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片的长度L5为1.5mm～1.9mm，宽W7为0.1mm～0.3mm，八边形缝隙2-1 中心加载星形辐射状贴片2-2，星形辐射状贴片2-2中的两个十字交叉的矩形的长L4为 3.4mm～3.8mm，宽W8为0.2mm～0.6mm，四个直角等腰三角形的斜边宽度W4为1.6mm～2mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片长L3为1.5mm～1.9mm，宽W6为0.1mm～0.3mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片与八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片之间的距离W5为0.1mm～0.3mm，辐射贴片外侧周边2-3四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰2-12、2-13、2-14、2-15下矩形贴片长L6为1mm～1.4mm，宽W17为0.1mm～0.3mm，上矩形贴片长L7为1mm～1.4mm，宽W18为0.1mm～0.3mm，上矩形与下矩形之间的宽度W19为 0.1mm～0.3mm，辐射贴片外侧周边2-3左、右、上边上开成对的矩形槽2-8、2-9、2-10的长L8为1mm～1.2mm，宽W14为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W13为2.2mm～2.6mm，辐射贴片外侧周边2-3下边开成对的矩形槽2-11的长L1为0.8mm～1.2mm，宽W1为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W2为2.6mm～3mm，在辐射贴片外侧周边2-3四个角上开与对角线平行的山形槽2-4、2-5、2-6、2-7的长L11为1mm～1.4mm，宽W12为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W15为0.3mm～0.5mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2边缘与介质基板1边缘之间的距离 W16为0.1mm～0.3mm。
所述的石墨烯接地板3为方形地板结构，石墨烯接地板3的长L为10mm～12mm，宽W12为 10mm～12mm，介质基板1的尺寸与石墨烯接地板3保持一致。
所述的同轴接头4位于介质基板1背面对称轴上，同轴接头4的馈电中心与介质基板1中心的距离L13为3.5mm～4mm。
所述的植入式天线外表面镀一层厚度为0.02mm的生物相容材料氧化铝，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离植入式无线生物医疗装置与人体组织，防止植入式无线生物医疗装置与人体组织直接接触而产生短路、腐蚀和排异等问题。
本实用新型的效果在于：本实用新型设计了一种无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片和石墨烯接地板的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗，八边形缝隙与介质基板平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长八边形缝隙加载辐射贴片表面的电流路径，八边形缝隙尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，在八边形缝隙加载辐射贴片中心设置星形辐射状贴片能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰，能够将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片周围和四个角方向开槽，能够延长八边形缝隙加载辐射贴片表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移。该植入式天线为平面结构，天线的尺寸仅为10×10mm，具有宽带、宽轴比波束、高增益、圆极化、低剖面、抗干扰等特点，生物相容性优良，适用于ISM 2.45GHz 频带植入式圆极化无线生物医疗装置。
附图说明
图1是本实用新型实施例的正面结构示意图。
图2是本实用新型实施例的背面结构示意图。
图3是本实用新型实施例的侧面结构示意图。
图4是本实用新型实施例八边形缝隙长度与宽度W3对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图5是本实用新型实施例曲折蜿蜒缝隙几何微扰下矩形贴片长L6对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图6是本实用新型实施例表面镀不同生物相容材料对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图7是本实用新型实施例石墨烯材料厚度T对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图8是本实用新型实施例植入环境、位置示意图。
图9是本实用新型实施例植入深度对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图10是本实用新型实施例仿真与实测阻抗带宽和轴比带宽曲线。
图11是本实用新型实施例在频率为2.56GHz时的E面辐射方向图
图12是本实用新型实施例在频率为2.56GHz时的H面辐射方向图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板1、印制在介质基板1正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2、印制在介质基板1背面的石墨烯接地板3和外接的同轴接头4构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2和石墨烯接地板3的材质均为石墨烯；其特征在于：所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心为八边形缝隙2-1，八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙2-1与介质基板1平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2表面的电流路径，八边形缝隙2-1尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，八边形缝隙2-1中心加载星形辐射状贴片2-2，星形辐射状贴片2-2由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2上的矩形贴片相互交错，在石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心设置星形辐射状贴片2-2能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边2-3四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰2-12、2-13、2-14、2-15，通过设置几何微扰将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片外侧周边2-3四个边上开成对的矩形槽2-8、2-9、2-10、2-11，在辐射贴片外侧周边2-3四个角上开与对角线平行的山形槽2-4、2-5、2-6、2-7，能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移；所述的石墨烯接地板3为方形地板结构，位于介质基板1背面，采用方形地板结构能够有效降低植入式天线与无线生物医疗装置之间的电磁干扰，提高无线生物医疗装置的抗干扰性能；所述的同轴接头4位于介质基板1背面对称轴上，同轴接头4 内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2相连接，同轴接头4外圆柱导体与石墨烯接地板3相连接。
所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2中心为八边形缝隙2-1，八边形缝隙2-1长度与宽度W3为5.6mm～6mm，与介质基板1平行的边长度L12为 3mm～3.4mm，对应介质基板1四个角方向的边宽度W20为1.6mm～2mm，八边形缝隙2-1与介质基板1平行的边设置矩形凸起的长L9为0.1mm～0.3mm，宽W10为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙2-1 开的矩形槽的长L10为0.1mm～0.3mm，宽W11为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片的长度L5为1.5mm～1.9mm，宽W7为0.1mm～0.3mm，八边形缝隙2-1 中心加载星形辐射状贴片2-2，星形辐射状贴片2-2中的两个十字交叉的矩形的长L4为 3.4mm～3.8mm，宽W8为0.2mm～0.6mm，四个直角等腰三角形的斜边宽度W4为1.6mm～2mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片长L3为1.5mm～1.9mm，宽W6为0.1mm～0.3mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片与八边形缝隙2-1对应介质基板1四个角方向的边增加矩形贴片之间的距离W5为0.1mm～0.3mm，辐射贴片外侧周边2-3四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰2-12、2-13、2-14、2-15下矩形贴片长L6为1mm～1.4mm，宽W17为0.1mm～0.3mm，上矩形贴片长L7为1mm～1.4mm，宽W18为0.1mm～0.3mm，上矩形与下矩形之间的宽度W19为 0.1mm～0.3mm，辐射贴片外侧周边2-3左、右、上边上开成对的矩形槽2-8、2-9、2-10的长L8为1mm～1.2mm，宽W14为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W13为2.2mm～2.6mm，辐射贴片外侧周边2-3下边开成对的矩形槽2-11的长L1为0.8mm～1.2mm，宽W1为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W2为2.6mm～3mm，在辐射贴片外侧周边2-3四个角上开与对角线平行的山形槽2-4、2-5、2-6、2-7的长L11为1mm～1.4mm，宽W12为0.3mm～0.6mm，两个矩形槽之间的距离W15为0.3mm～0.5mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片2边缘与介质基板1边缘之间的距离 W16为0.1mm～0.3mm。
所述的石墨烯接地板3为方形地板结构，石墨烯接地板3的长L为10mm～12mm，宽W12为 10mm～12mm，介质基板1的尺寸与石墨烯接地板3保持一致。
所述的同轴接头4位于介质基板1背面对称轴上，同轴接头4的馈电中心与介质基板1中心的距离L13为3.5mm～4mm。
所述的植入式天线外表面镀一层厚度为0.02mm的生物相容材料氧化铝，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离植入式无线生物医疗装置与人体组织，防止植入式无线生物医疗装置与人体组织直接接触而产生短路、腐蚀和排异等问题。
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。介质基板长L＝10mm、宽W＝10mm。石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片和石墨烯接地板的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗。石墨烯材料厚度为0.02mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片中心为八边形缝隙，八边形缝隙长度与总宽度W3为5.8mm，与介质基板平行的边长度L12为3.2mm，对应介质基板四个角方向的边宽度W20为1.8mm，八边形缝隙与介质基板平行的边设置矩形凸起的长L9为0.2mm，宽W10为0.5mm，八边形缝隙开的矩形槽的长L10为0.2mm，宽W11为0.5mm，八边形缝隙对应介质基板四个角方向的边增加矩形贴片的长度L5为1.7mm，宽W7为0.2mm。八边形缝隙与介质基板平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长八边形缝隙加载辐射贴片表面的电流路径，八边形缝隙尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动。八边形缝隙中心加载星形辐射状贴片，星形辐射状贴片中的两个十字交叉的矩形的长L4为3.6mm，宽W8为0.4mm，四个直角等腰三角形的斜边宽度W4为1.8mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片长L3为1.7mm，宽W6为0.2mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片与八边形缝隙对应介质基板四个角方向的边增加矩形贴片之间的距离W5为0.2mm。在八边形缝隙加载辐射贴片中心设置星形辐射状贴片能够进一步缩小天线的尺寸。辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰下矩形贴片长L6为1.2mm，宽W17为0.2mm，上矩形贴片长L7为1.2mm，宽W18为0.2mm，上矩形与下矩形之间的宽度W19为0.2mm。辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰，能够将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性。辐射贴片外侧周边左、右、上边上开成对的矩形槽的长L8为1.1mm，宽W14为0.5mm，两个矩形槽之间的距离W13为2.4mm，辐射贴片外侧周边下边开成对的矩形槽的长L1为1mm，宽W1为0.5mm，两个矩形槽之间的距离W2为2.8mm，在辐射贴片外侧周边四个角上开与对角线平行的山形槽的长L11为1.2mm，宽W12为0.5mm，两个矩形槽之间的距离W15为0.4mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片边缘与介质基板边缘之间的距离 W16为0.2mm。在辐射贴片周围和四个角方向开槽，能够延长八边形缝隙加载辐射贴片表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移。同轴接头的馈电中心与介质基板中心的距离L13为3.8mm。在植入式天线外表面镀一层厚度为0.02mm的生物相容材料氧化铝，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离植入式无线生物医疗装置与人体组织，防止植入式无线生物医疗装置与人体组织直接接触而产生短路、腐蚀和排异等问题。
由于W3决定八边形缝隙的整体尺寸，因此选取八边形缝隙长度与宽度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W3＝5.6mm、W3＝5.8mm、W3＝6mm这三种情况对天线轴比进行分析，从图4中可以看出，天线的谐振频率和阻抗带宽受八边形缝隙的整体尺寸影响较大，随着八边形缝隙的整体尺寸的增加，植入式天线谐振频率向低频方向移动，天线的带宽有所增加，谐振程度逐渐减小，天线的轴比带宽随八边形缝隙的整体尺寸增加变化较小。原因是在2.45GHz附近天线的表面电流主要集中的八边形缝隙周围，八边形缝隙尺寸的变化引起谐振频率发生改变。当W3＝5.8mm时，植入式天线的阻抗带宽和轴比带宽都覆盖了所需的ISM 2.45GHz频段。
由于L6决定曲折蜿蜒缝隙的整体尺寸，因此选取曲折蜿蜒缝隙几何微扰下矩形贴片长L6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L6＝1mm、L6＝1.2mm、L6＝1.4mm 这三种情况对天线阻抗带宽和轴比带宽进行分析，从图5中可以看出，随着曲折蜿蜒缝隙的整体尺寸的增加，天线谐振频率偏移量较小，谐振程度有所增加，说明阻抗匹配性能得到改善，轴比带宽有所增加，轴比带宽中心也同时向高频方向偏移，说明曲折蜿蜒缝隙的整体尺寸对天线圆极化性能影响较大。原因是辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰，能够将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，调整曲折蜿蜒缝隙的尺寸能够调节植入式天线的轴比带宽。当L6＝1.2mm时，植入式天线的阻抗带宽和轴比带宽都覆盖了所需的ISM 2.45GHz频段。
选取派瑞林C型(介电常数εr为2.95，损耗正切tanδ为0.013)、聚醚醚酮(介电常数εr为3.2，损耗正切tanδ为0.01)、氧化铝(介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008)三种生物相容材料镀膜对天线性能进行分析，镀膜厚度均为0.02mm，植入式天线表面镀不同生物相容材料对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图6所示，从图中可以看出，随着生物相容材料介电常数的增加，天线谐振频率向低频方向移动，谐振程度有所减弱，轴比带宽中心先向高频方向移动，然后又向低频方向移动，轴比性能和阻抗匹配性能得到改善。因此，选择氧化铝镀膜能够满足植入式天线设计要求。
选取石墨烯材料厚度T为0.01mm、0.02mm、0.03mm，分析石墨烯材料厚度对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图7所示，从图中可以看出，随着石墨烯材料厚度的增加，天线谐振频率没有明显变化，谐振程度逐渐增加，阻抗特性得到改善，中心频点的最小反射系数分别为 -25dB、-34dB、-44dB，轴比性能也同时能得到改善。原因是石墨烯材料厚度增加，石墨烯材料的导电性能增强，石墨烯材料的损耗减小，使植入式天线的轴比性能和阻抗匹配性能得到改善。选取石墨烯材料厚度T为0.02mm时，天线的性能满足设计要求。
植入式无线生物医疗装置的应用，决定了植入式天线将被植入到不同的人体组织环境中，为分析植入式天线的植入位置和环境对天线性能的影响，将设计的天线植入到不同组织层中，如图8所示，分别将天线植入到皮肤层、脂肪层和肌肉层中进行对比和测试，植入深度对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图9所示，将天线植入到脂肪层时，天线的谐振频率与皮肤层相比，向高频方向偏移量较大，轴比性能和阻抗匹配性能都下降严重，主要原因是脂肪层的介电常数εr远小于肌肉层和皮肤层。将天线植入到肌肉层时，天线的谐振频率与皮肤层相比，向低频方向发生一定偏移，轴比带宽相对于皮肤层变化不大，主要原因是肌肉层的介电常数εr与皮肤层相比要大一些。因此，在设计植入式天线时，应充分考虑植入式无线生物医疗装置的应用环境，这样才能使天线的性能达到最佳。
将植入式天线植入到模拟人体环境中，使用矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽和轴比带宽，阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果与测试结果如图10所示，植入式天线的仿真阻抗带宽为2.33GHz～2.56GHz，谐振频率为2.44GHz，仿真轴比带宽为2.38GHz～2.51GHz，实测阻抗带宽为2.42GHz～2.71GHz，谐振频率为2.56GHz，实测轴比带宽为2.48GHz～2.63GHz，轴比带宽能够覆盖工作频率，实测与仿真结果一致性良好，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良好。谐振频率和轴比带宽中心向高频方向发生一定偏移，导致频率偏移的原因是模拟人体环境、天线表面镀膜和加工测试误差。
对天线在2.56GHz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11、图12所示。从图中可以看出，方向图显示植入式天线的主极化是右旋圆极化，主要是设置几何微扰将植入式天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生右旋圆极化特性，天线在频段内保持较好的圆极化辐射特性，轴比波束较宽，适用于ISM 2.45GHz工作频带，能够满足复杂植入环境的需求。通过设置植入式天线输入功率为1W，对人体平均SAR值分布进行分析，经仿真计算，得出最大10g平均SAR值为28.2W/Kg，植入式天线最大允许输入功率为62.1mW，符合FCC及IEEE对SAR值的安全标准，正常工作下对人体组织是安全的。
Claims (2)
1.无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯接地板(3)和外接的同轴接头(4)构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)和石墨烯接地板(3)的材质均为石墨烯；其特征在于：
a.所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2-1)，八边形缝隙(2-1)对应介质基板(1)四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙(2-1)与介质基板(1)平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽，八边形缝隙(2-1)中心加载星形辐射状贴片(2-2)，星形辐射状贴片(2-2)由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)上的矩形贴片相互交错，辐射贴片外侧周边(2-3)四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰(2-12)、(2-13)、(2-14)、(2-15)，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个边上开成对的矩形槽(2-8)、(2-9)、(2-10)、(2-11)，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个角上开与对角线平行的山形槽(2-4)、(2-5)、(2-6)、(2-7)；
b.所述的石墨烯接地板(3)为方形地板结构，位于介质基板(1)背面；
c.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面对称轴上，同轴接头(4)内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯接地板(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，其特征在于所述的植入式天线外表面镀一层厚度为0.02mm的生物相容材料氧化铝，介电常数εr为9.2，损耗正切tanδ为0.008，隔离植入式无线生物医疗装置与人体组织，防止植入式无线生物医疗装置与人体组织直接接触而产生短路、腐蚀和排异等问题。
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