CN210984938U - 用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计了用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，辐射贴片四周增加蜿蜒曲折结构可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率。在加载方形谐振环辐射贴片中心加载的方形互补开口谐振环，是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，缩小天线的整体尺寸，通过调节方形互补开口谐振环的尺寸可以激励出两个正交模式，产生圆极化特性。天线的体积仅为11×11×0.635mm3，具有小型化、圆极化、频带宽、抗干扰、生物兼容性优良等特性，适用于ISM 2.45GHz频段，满足植入人体组织环境后的小型化、圆极化工作需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及植入式天线技术领域，具体涉及用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，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
随着医疗水平的提升和经济的持续增长，人口老龄化的趋势在全球范围内已经不可逆转，这给医疗行业带来了巨大的压力，利用无线技术开展远程医疗将是一个低成本、高效能的解决方案。无线生物医疗技术的优点是医院与患者可以不受距离限制，医生可以远程监控和检测患者的生理参数，与传统诊疗方式相比，无线生物医疗技术可以实时提供全面准确的数据为医生提供诊断依据，医生能够更加快捷高效的对数据进行分析以及诊断，患者可以不用亲自去医院就能够得到检查和诊治。在日常生活中，常用的无线生物医疗装置包括：心脏起搏器、人工耳蜗、心率复转除颤器、血糖监测仪、温度监测仪、视网膜植入物等。无线生物医疗技术主要是通过各类传感器采集人体生理参数，将采集的生理参数通过传输单元传输给分析系统和存储设备，医生通过分析系统提供的原始数据或者分析数据做出诊疗建议。数据采集系统与分析系统和存储设备之间的数据传输需要通过植入式天线，因此，植入式天线是无线生物医疗装置中的重要组成部分，是数据传输系统中的核心器件。植入式天线需要植入人体器官或者组织中，因此，舒适性是植入人体器官或组织的关键因素，这就需要植入式天线具有低剖面和小型化的特性。人体器官和组织中的电特性与自由空间相比差别较大，这就需要植入式天线具备宽带特性，降低人体复杂环境对天线的影响，这就要求线极化天线具有较宽的阻抗带宽，圆极化天线具有较宽的轴比带宽。圆极化天线具有误码率低、抗多径干扰、抗干扰能力强等优点。实现圆极化特性的主要方法：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；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；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；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。互补开口谐振环是一种几何互偶结构，将缝隙部分和金属部分互换就可以得到互补开口谐振结构，互补开口谐振结构是一种具有负磁导率的超材料结构，其介电常数远小于谐振时的波长，调节开口谐振环的位置和尺寸可以实现天线的圆极化性能，采用互补开口谐振环能够满足天线的小型化、圆极化设计需求。非专利文献1公开了一种互补开口谐振环加载的圆极化天线，辐射单元中心加载开口谐振环，是一种具有负磁导率的超材料结构，缩小了天线的尺寸，通过调节开口谐振环开口位置和谐振环尺寸，实现圆极化性能，在辐射单元四周增加四个C形槽，能够增加有效电流路径，进一步缩小天线的尺寸。非专利文件2公开了一种方环形圆极化植入式天线，在辐射单元四个边缘分别开不同尺寸的长方形槽实现圆极化特性，辐射贴片中心开一个方形槽，在方形的对角上增加两个三角形，形成几何微扰，通过引入短路探针进一步缩小天线的尺寸。
引用文献列表
非专利文献1：X.Y.Liu,Z.T.Wu,Y.Fan,and E.M.Tentzeris.A miniaturizedCSRR loaded wide-beam width circularly polarized implantable antenna forsubcutaneous real-time glucose monitoring[J].IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,2017,16:577-580.
非专利文献2：Z.Yang,S.Xiao,L.Zhu,B.Zhang,and H.Tu.A circularlypolarized implantable antenna for 2.4-GHz ISM band biomedical applications[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,2017,16:2554-2557.
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，该天线具有小型化、圆极化、频带宽、抗干扰、生物兼容性优良等特性，方便与植入式无线生物医疗装置集成，适用于ISM 2.45GHz频段，能满足无线生物医疗装置对天线性能的需求。
本实用新型的技术方案是：用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，由介质基板1、加载方形谐振环辐射贴片2、下侧短路探针3、上侧短路探针4、同轴接头5、地板 6构成，其特征在于：
a.所述的加载方形谐振环辐射贴片2是在辐射贴片四周开矩形槽，在矩形槽内增加左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4，左侧蜿蜒曲折结构2-1以介质基板1为中心分别旋转90度而得到上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4，在辐射贴片四周增加左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率，调节左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4的尺寸可以进一步优化阻抗匹配，在加载方形谐振环辐射贴片2中间开一个方形槽，在方形槽内加载左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8，左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8由两个方形环和一个方形贴片组成，通过三个矩形导带与加载方形谐振环辐射贴片2相连接，三个矩形导带之间相对于左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8中心的角度差为90度，在加载方形谐振环辐射贴片2中心加载的左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，使天线谐振频率向低频方向偏移，缩小天线的整体尺寸，通过调节左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性；
b.所述的下侧短路探针3、上侧短路探针4设置在加载方形谐振环辐射贴片2的左下侧和左上侧，下侧短路探针3、上侧短路探针4关于天线介质基板1横轴对称，增加下侧短路探针3、上侧短路探针4能够增加谐振点，从而展宽天线的阻抗带宽；
c.所述的同轴接头5位于加载方形谐振环辐射贴片2右上侧的对角线上，同轴接头5的内芯与加载方形谐振环辐射贴片2相连接，同轴接头5的外芯与地板6相连接；
d.所述的地板6为一个方形的完整金属贴片结构，不增设开槽或缝隙，在植入式圆极化天线与下层无线生物医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，能够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。
所述的介质基板1的长L为10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
所述的加载方形谐振环辐射贴片2辐射贴片四周开矩形槽的长L2为1.3mm～1.5mm，宽W4为 5.5mm～5.7mm，左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4的宽W2为0.15mm～0.25mm，与矩形槽左边的距离W3为0.25mm～0.3mm，与矩形槽下边的距离L1为0.25mm～0.35mm，加载方形谐振环辐射贴片2中间方形槽的宽W6为 4.9mm～5.1mm，方形槽内加载的左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环 2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8外侧方形环的宽W12为 2.2mm～2.3mm，外侧方形环与方形槽左边的距离W7为0.1mm～0.2mm，中间方形环的宽W11为 1.6mm～1.7mm，中间方形环与外侧方形环的距离W8为0.1mm～0.2mm，内侧方向贴片的宽W10为1mm～1.2mm，内侧方向贴片与中间方形环的距离W9为0.1mm～0.2mm，连接两个方形环和一个方形贴片的三个矩形导带的宽W5为0.1mm～0.3mm。
所述的下侧短路探针3、上侧短路探针4半径R1为0.2mm～0.4mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4中心距介质基板1中心的距离R2为5.8mm～6.2mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为40度～50度，下侧短路探针3、上侧短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。
所述的同轴接头5中心距介质基板1横向对称轴的距离L0为2.8mm～3.2mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为2.8mm～3.2mm。
所述的地板6为一个完整的方形金属贴片，地板6的尺寸与介质基板1的尺寸相同，长L为 10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线外表面镀一层对天线增益和反射系数影响很小的超薄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0.02mm，隔离人体组织与植入式圆极化天线，防止人体组织与天线的导电贴片直接接触，降低人体组织对植入式圆极化天线性能的影响。
本实用新型的效果在于：本实用新型设计了用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，辐射贴片四周增加蜿蜒曲折结构可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率，调节蜿蜒曲折结构尺寸可以进一步优化阻抗匹配。在加载方形谐振环辐射贴片中心加载的方形互补开口谐振环，是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，使天线谐振频率向低频方向偏移，缩小天线的整体尺寸，通过调节方形互补开口谐振环的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性。地板是一个方形的完整金属贴片结构，不增设开槽或缝隙，在植入式圆极化天线与下层无线生物医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，能够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。增加短路探针能够增加谐振点，从而展宽天线的阻抗带宽。该植入式圆极化天线为平面结构，天线的体积仅为11×11×0.635mm3，具有小型化、圆极化、频带宽、抗干扰、生物兼容性优良等特性，适用于ISM 2.45GHz频段，满足植入人体组织环境后的小型化、圆极化工作需求。
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侧面结构示意图。
图3是本实用新型实施例的背面结构示意图。
图4是本实用新型实施例蜿蜒曲折结构的宽W2对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图5是本本实用新型实施例方形互补开口谐振环外侧方形环的宽W12、中间方形环的宽W11内、侧方向贴片的宽W10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植入皮肤层深度示意图。
图7是本实用新型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。
图8是本实用新型实施例仿真与实测阻抗带宽曲线。
图9是本实用新型实施例在频率为2.45GHz时的E面辐射方向图。
图10是本实用新型实施例在频率为2.45GHz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，用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，由介质基板1、加载方形谐振环辐射贴片2、下侧短路探针3、上侧短路探针4、同轴接头5、地板6构成，其特征在于：所述的加载方形谐振环辐射贴片2是在辐射贴片四周开矩形槽，在矩形槽内增加左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构 2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4，左侧蜿蜒曲折结构2-1以介质基板1为中心分别旋转90度而得到上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4，在辐射贴片四周增加左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率，调节左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4的尺寸可以进一步优化阻抗匹配，在加载方形谐振环辐射贴片2中间开一个方形槽，在方形槽内加载左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8，左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环 2-8由两个方形环和一个方形贴片组成，通过三个矩形导带与加载方形谐振环辐射贴片2相连接，三个矩形导带之间相对于左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环 2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8中心的角度差为90度，在加载方形谐振环辐射贴片2中心加载的左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，使天线谐振频率向低频方向偏移，缩小天线的整体尺寸，通过调节左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8 的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性；所述的下侧短路探针3、上侧短路探针4设置在加载方形谐振环辐射贴片2的左下侧和左上侧，下侧短路探针3、上侧短路探针4关于天线介质基板1横轴对称，增加下侧短路探针3、上侧短路探针4能够增加谐振点，从而展宽天线的阻抗带宽；所述的同轴接头5位于加载方形谐振环辐射贴片2右上侧的对角线上，同轴接头5的内芯与加载方形谐振环辐射贴片2相连接，同轴接头5的外芯与地板6相连接；所述的地板6为一个方形的完整金属贴片结构，不增设开槽或缝隙，在植入式圆极化天线与下层无线生物医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，能够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。
所述的介质基板1的长L为10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
所述的加载方形谐振环辐射贴片2辐射贴片四周开矩形槽的长L2为1.3mm～1.5mm，宽W4为5.5mm～5.7mm，左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4的宽W2为0.15mm～0.25mm，与矩形槽左边的距离W3为0.25mm～0.3mm，与矩形槽下边的距离L1为0.25mm～0.35mm，加载方形谐振环辐射贴片2中间方形槽的宽W6为 4.9mm～5.1mm，方形槽内加载的左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环 2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8外侧方形环的宽W12为 2.2mm～2.3mm，外侧方形环与方形槽左边的距离W7为0.1mm～0.2mm，中间方形环的宽W11为 1.6mm～1.7mm，中间方形环与外侧方形环的距离W8为0.1mm～0.2mm，内侧方向贴片的宽W10为1mm～1.2mm，内侧方向贴片与中间方形环的距离W9为0.1mm～0.2mm，连接两个方形环和一个方形贴片的三个矩形导带的宽W5为0.1mm～0.3mm。
所述的下侧短路探针3、上侧短路探针4半径R1为0.2mm～0.4mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4中心距介质基板1中心的距离R2为5.8mm～6.2mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为40度～50度，下侧短路探针3、上侧短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。
所述的同轴接头5中心距介质基板1横向对称轴的距离L0为2.8mm～3.2mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为2.8mm～3.2mm。
所述的地板6为一个完整的方形金属贴片，地板6的尺寸与介质基板1的尺寸相同，长L为 10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线外表面镀一层对天线增益和反射系数影响很小的超薄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0.02mm，隔离人体组织与植入式圆极化天线，防止人体组织与天线的导电贴片直接接触，降低人体组织对植入式圆极化天线性能的影响。
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。介质基板的长L为11mm，宽W为11mm。辐射贴片四周增加蜿蜒曲折结构可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率，调节蜿蜒曲折结构尺寸可以进一步优化阻抗匹配。加载方形谐振环辐射贴片2辐射贴片四周开矩形槽的长L2为1.4mm，宽W4为 5.67mm，左侧蜿蜒曲折结构2-1、上侧蜿蜒曲折结构2-2、右侧蜿蜒曲折结构2-3、下侧蜿蜒曲折结构2-4的宽W2为0.21mm，与矩形槽左边的距离W3为0.27mm，与矩形槽下边的距离L1为 0.27mm。在加载方形谐振环辐射贴片中心加载的方形互补开口谐振环，是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，使天线谐振频率向低频方向偏移，缩小天线的整体尺寸，通过调节方形互补开口谐振环的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性。加载方形谐振环辐射贴片2中间方形槽的宽W6为5mm，方形槽内加载的左下侧方形互补开口谐振环2-5、左上侧方形互补开口谐振环2-6、右上侧方形互补开口谐振环2-7、右下侧方形互补开口谐振环2-8外侧方形环的宽W12为2.22mm，外侧方形环与方形槽左边的距离W7为0.14mm，中间方形环的宽W11为1.66mm，中间方形环与外侧方形环的距离W8为0.14mm，内侧方向贴片的宽W10为1.1mm，内侧方向贴片与中间方形环的距离W9为0.14mm，连接两个方形环和一个方形贴片的三个矩形导带的宽W5为0.14mm。增加短路探针能够增加谐振点，从而展宽天线的阻抗带宽。下侧短路探针3、上侧短路探针4半径R1为0.3mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4中心距介质基板1中心的距离R2为6mm，下侧短路探针3、上侧短路探针4与介质基板1纵向对称轴的夹角a1为46度，下侧短路探针3、上侧短路探针4半径与同轴接头5的内芯半径相等。同轴接头5中心距介质基板1横向对称轴的距离L0为3mm，距介质基板1纵向对称轴的距离W0为3mm。地板是一个方形的完整金属贴片结构，不增设开槽或缝隙，在植入式圆极化天线与下层无线生物医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层，能够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。地板6 为一个完整的方形金属贴片，地板6的尺寸与介质基板1的尺寸相同，长L为11mm，宽W为11mm。在用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线外表面镀一层对天线增益和反射系数影响很小的超薄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0.02mm，隔离人体组织与植入式圆极化天线，防止人体组织与天线的导电贴片直接接触，降低人体组织对植入式圆极化天线性能的影响。
选取蜿蜒曲折结构的宽W2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 W2＝0.15mm、W2＝0.21mm和W2＝0.25mm这三种情况对天线性能进行分析，从图4中可以看出，随着曲折结构的宽W2的增加，天线的谐振频率向低频方向偏移，谐振程度逐渐增加，轴比系数也随之偏移，原因是辐射贴片四周增加蜿蜒曲折结构可以使天线表面电流沿蜿蜒曲折结构蜿蜒流动，从而增加天线表面电流路径，降低天线谐振频率，调节蜿蜒曲折结构尺寸可以进一步优化阻抗匹配。当W2＝0.21mm时，天线性能最佳，阻抗带宽和轴比带宽都覆盖所需的ISM 2.45GHz频段。
选取方形互补开口谐振环外侧方形环的宽W12、中间方形环的宽W11内、侧方向贴片的宽 W10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W12＝2.2mm、W11＝1.6mm、 W10＝1mm、W12＝2.22mm、W11＝1.66mm、W10＝1.1mm和W12＝2.3mm、W11＝1.7mm、W10＝1.2mm这三种情况对天线性能进行分析，从图5中可以看出，随着方形互补开口谐振环尺寸的增加，天线谐振频点向低频方向偏移，谐振程度先增加后减小，轴比系数也随之向低频处偏移，原因是在加载方形谐振环辐射贴片中心加载的方形互补开口谐振环，是一种具有负磁导率的超材料结构阵列，能够进一步增强单个互补开口谐振环所产生的效能，使天线谐振频率向低频方向偏移，缩小天线的整体尺寸，通过调节方形互补开口谐振环的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性。当W12＝2.22mm、W11＝1.66mm、W10＝1.1mm时，天线性能最佳，阻抗带宽和轴比带宽都覆盖所需的ISM 2.45GHz频段。
本实用新型设计的植入式圆极化天线应用环境主要为皮肤层，仿真环境为90mm×90mm ×25mm的单层皮肤模型，天线置于单层皮肤模型中心，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6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7所示，植入深度H在3mm～7mm范围内，植入式圆极化天线反射系数和轴比系数相对稳定，各项性能具有很好的鲁棒性，能够很好的覆盖所需的ISM 2.45GHz频段。
将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％。使用矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽，通过体外线极化偶极子天线配合的间接方式测试天线的圆极化特性，阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果与测试结果如图8所示，植入式圆极化天线的仿真阻抗带宽为 2.26GHz～2.71GHz，谐振频率为2.45GHz，仿真轴比带宽为2.28GHz～2.52GHz，实测阻抗带宽为2.29GHz～2.75GHz，谐振频率为2.46GHz，谐振程度有明显增加，实测轴比带宽为 2.30GHz～2.56GHz，轴比带宽能够覆盖所需的工作频率，仿真结果与测试结果差距较小，在ISM 频段能够实现较好的谐振，植入式圆极化天线工作频带内阻抗特性和轴比特性较好，谐振频率和轴比系数略向高频方向偏移，造成频率偏移的原因主要是植入式天线加工测试误差、同轴电缆、与模拟人体组织之间存在气泡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9、图10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-28.8dBi，主极化与交叉极化之间相差32.1dBi，主要是通过调节方形互补开口谐振环的尺寸可以激励出两个正交模式，从而产生圆极化特性，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，能够满足复杂植入环境的需求。
考虑到植入人体组织的安全因素，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输入功率为1W，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，植入式圆极化天线在2.45GHz处的1-g人体组织最大平均SAR值为392.5W/kg，10-g人体组织最大平均SAR值为82.7W/kg，为符合IEEEC95.1-1999及IEEEC95.1-2005对SAR值的安全标准，植入式圆极化天线对应的最大输入功率分别为3.1mW和21.6mW，植入式圆极化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。
Claims (4)
1.用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，由介质基板(1)、加载方形谐振环辐射贴片(2)、下侧短路探针(3)、上侧短路探针(4)、同轴接头(5)、地板(6)构成，其特征在于：
a.所述的加载方形谐振环辐射贴片(2)是在辐射贴片四周开矩形槽，在矩形槽内增加左侧蜿蜒曲折结构(2-1)、上侧蜿蜒曲折结构(2-2)、右侧蜿蜒曲折结构(2-3)、下侧蜿蜒曲折结构(2-4)，左侧蜿蜒曲折结构(2-1)以介质基板(1)为中心分别旋转90度而得到上侧蜿蜒曲折结构(2-2)、右侧蜿蜒曲折结构(2-3)、下侧蜿蜒曲折结构(2-4)，在加载方形谐振环辐射贴片(2)中间开一个方形槽，在方形槽内加载左下侧方形互补开口谐振环(2-5)、左上侧方形互补开口谐振环(2-6)、右上侧方形互补开口谐振环(2-7)、右下侧方形互补开口谐振环(2-8)，左下侧方形互补开口谐振环(2-5)、左上侧方形互补开口谐振环(2-6)、右上侧方形互补开口谐振环(2-7)、右下侧方形互补开口谐振环(2-8)由两个方形环和一个方形贴片组成，通过三个矩形导带与加载方形谐振环辐射贴片(2)相连接，三个矩形导带之间相对于左下侧方形互补开口谐振环(2-5)、左上侧方形互补开口谐振环(2-6)、右上侧方形互补开口谐振环(2-7)、右下侧方形互补开口谐振环(2-8)中心的角度差为90度；
b.所述的下侧短路探针(3)、上侧短路探针(4)设置在加载方形谐振环辐射贴片(2)的左下侧和左上侧，下侧短路探针(3)、上侧短路探针(4)关于天线介质基板(1)横轴对称；
c.所述的同轴接头(5)位于加载方形谐振环辐射贴片(2)右上侧的对角线上，同轴接头(5)的内芯与加载方形谐振环辐射贴片(2)相连接，同轴接头(5)的外芯与地板(6)相连接；
d.所述的地板(6)为一个方形的完整金属贴片结构，不增设开槽或缝隙，在植入式圆极化天线与下层无线生物医疗装置电子器件之间形成一道屏蔽层。
2.根据权利要求1所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，其特征在于所述的介质基板(1)的长L为10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
3.根据权利要求1所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，其特征在于所述的地板(6)为一个完整的方形金属贴片，地板(6)的尺寸与介质基板(1)的尺寸相同，长L为10mm～12mm，宽W为10mm～12mm。
4.根据权利要求1所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线，其特征在于所述的用于无线生物医疗的加载方形谐振环植入式圆极化天线外表面镀一层对天线增益和反射系数影响很小的超薄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0.02mm，隔离人体组织与植入式圆极化天线。
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