PIFA可植入天线的设计

论文总字数：21740字

目 录

摘 要 1

ABSTACT 2

1. 绪论 3

1.1概述 3

1.2国内外研究动态 3

1.3本文主要研究内容 3

1. 平面倒F天线的研究 5

2.1平面倒F天线的由来 5

2.2平面倒F天线的基本结构 5

2.3 SAR 6

2.3.1 SAR的定义及限制 7

2.3.2 Local SAR和Average SAR 8

3.平面倒F天线小型化技术及分析方法 9

3.1平面倒F天线小型化技术 9

3.1.1增加介电常数 9

3.1.2曲流技术 9

3.2平面倒F天线等效模型及分析方法 10

3.2.1传输线模型法 11

3.2.2空腔模型理论 11

3.2.3全波分析法 11

4. PIFA可植入天线的设计及分析 13

4.1设计方案 13

4.2 天线结构及性能分析 13

4.2.1天线结构描述 13

4.2.2天线模型的构建 15

4.2.3模型效果图 17

4.3天线仿真结果及分析 18

4.3.1天线回波损耗的仿真值及其分析 18

4.3.2天线辐射方向图和增益及其分析 20

4.4改进型PIFA天线 22

4.4.1改进型PIFA天线结构 22

4.4.2天线回波损耗的仿真值及其分析 24

4.4.3天线辐射方向图和增益及其分析 27

4.5改进型PIFA天线与原PIFA天线的性能比较 29

4.6改进型PIFA天线的SAR值 29

4.7人体的加载对天线的性能的变化 32

5.总结 34

参考文献 35

致谢 37

PIFA可植入天线的设计

包丹丹

, China

Abstract: This paper presents a planar inverted-F antenna (PIFA) that can be applied to human implantation. An implantable antenna with a size of 8 mm x 8 mm x 1.875 mm was designed in the MedRadio band, which uses a high relative dielectric constant material to reduce the antenna size. At 403 MHz resonant frequency, the antenna's return loss needs less than -20 dB, while maintaining the antenna -38 dB antenna far field gain, that is, to maintain the miniaturization of the antenna to ensure the reliability of the work.

Key words: planar inverted-F antenna; implantable antenna; MedRadio band; simulation

第一章 绪论

1.1概述

随着对用于诊断和治疗功能的可植入医疗装置的需求的增加[1-3]，连接到这些装置的电线可能与皮肤接触，这导致患者不适并且增加感染的风险。因此，用于可植入设备的无线通信已经引起了学术界和工业界的关注，因为其具有几个优点，例如最小化日常活动中的限制，提供远程控制和监测的可能性，以及促进较小侵入性外科手术[4-5]。由于感应生物遥测技术面临有限的通信范围和对线圈间失准的灵敏度的约束[6]，因此优选使用天线的生物遥测技术。然而，由于这些医疗装置在人体内或在人体附近使用，由于RF信号和人体组织之间的相互作用而产生的相关电磁效应导致各种管制机构对比吸收率（SAR）施加最大限制，其确定由人体组织吸收的RF能量的量。

由于这些医疗装置在人体内或人体附件使用，所以必须将频段控制在医学频段内。医疗器械无线电通信服务（MedRadio）在401 - 406 MHz，413 - 419 MHz，426 - 432 MHz，438 - 444 MHz和451 - 457 MHz范围内。 MedRadio频谱用于医疗设备的植入以及用于佩戴在身体上的设备。 例如，MedRadio设备包括植入式心脏起搏器和除颤器以及有助于恢复肢体和器官的感觉，移动性和其他功能的神经肌肉刺激器。另外，医疗身体局域网（MBAN）是由位于身体或紧邻其上的集线器设备控制的身体传感器的低功率网络，在2360 - 2400 MHz频带内工作。

1.2国内外研究动态

在以前的可植入天线的研究中可发现，人体内部依靠两个电磁线圈的耦合来和外部取得通信[7-8]，在现在的可植入天线的研究可发现，研究方向转向了整体集成式天线设计，其原因是电磁线圈的数据传输速度比较低，其通信的范围和灵敏度比较差。对于研究应用于医疗的植入式天线，天线工作频段一般选在401 - 406 MHz之间，然后在简化的球体人头模型或胸腔模型中放置螺旋微带天线和偶极子天线，从而研究402 MHz下植入式天线通信[9]。相关资料显示，有研究者在相对分辨率低的人体的头部模型中放置过偶极子天线，偶极子天线的作用是研究几个应用频段下的天线工作性能[10]。

目前，Xianming Qing，Wei Liu，Zhi Ning Chen提出了一种用于头部植入的超薄差分贴片天线[11]。通过矩形贴片和由差分微带线馈送的环路结构之间的邻近耦合，激励反相模式，这使孔耦合矩形贴片天线的带宽加倍。此外，定向辐射允许将最大能量导向接收器,并降低比吸收率（SAR）。总尺寸为24 × 10 × 0.95 mm³的天线原型具有4.1-4.5 GHz的-10 dB反射带宽，大于5 dBi的方向性和在视轴处的增益高于-8 dBi。在阻抗带宽上的SAR限制为1.6 W/kg时，允许最大发射功率为28 mW。

1.3本文主要研究内容

本文先大体讲述了平面倒F天线的一些相关特点，然后讲述了平面倒F天线的基本结构、等效模型和小型化技术，最后介绍了平面倒F天线的性能参数和分析方法，之后通过改进数据来改善天线的性能。

论文分为五个部分，具体内容如下：

1. 绪论

本章首先介绍了本次课题研究的概述，并介绍了PIFA可植入天线的国内外研究动态。最后对本论文的结构与主要内容进行了说明。

1. 平面倒F天线的研究

本章介绍了平面倒F天线的由来、平面倒F天线的基本结构。最后介绍了SAR的相关知识及天线对人体的影响。

1. 平面倒F天线的小型化技术以及分析方法

本章介绍了平面倒F天线如何能够达到小型化的技术。还解释了平面倒F天线的等效模型及分析方法，为平面倒F天线做成可植入天线打下理论基础。

1. 天线的设计及分析

本章首先讲述了PIFA可植入天线的设计方案，然后介绍了其具体的天线结构及一些参数，并对天线的特性进行了分析。再改进天线的设计并进行分析，继而与原天线的性能做出一个比较。

1. 总结

本章对全文做了一个总结。第二章 平面倒F天线的研究

2.1 PIFA天线的由来[12]

平面倒F天线得名于其形状如倒过来的字母F，它的英文拼写是“Planar Inverted-F Antenna”，简写成PIFA。天线的基本结构要素有四个部分：大接地板，平面辐射单元，短路接地和馈源是辐射体和地板上连接的、并且相互靠近的两部分。平面倒F天线的由来有两种观点：一种是看成从单极天线演变而来；一种是看做由微带天线演变而来。

1. 从单极天线到PIFA的演变过程

最早期的天线是波长为四分之一的单极天线。这种直的单极天线增加大了移动终端设备的物理空间大小，研究人员对单极天线在水平方向上进行弯折处理，这并未对天线的性能有影响，但却降低了天线的空间尺寸。由下图2-1可发现，单极天线被折叠成倒“L”形状，这种天线也被称为倒“F”，所以这种天线被称为平面倒F天线（planar inverted-F antenna），即PIFA天线。虽然PIFA天线符合小型化的要求，但由于辐射效率较低，带宽相对较窄，不能符合移动通信系统的要求。研究发现用金属辐射表面替代PIFA天线的辐射体能够扩大带宽并提高辐射效率，并获到了良好的效果。这是从单极天线到平面倒F天线的演化过程，如图2-1所示。

图2-1 从单极天线到PIFA的转变过程[12]

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