世界人口老齡化和工作節(jié)奏的加快,人們的健康意識在不斷提高,研制便捷的人體植入式醫(yī)療設備已成為學術(shù)界的熱點。相對于傳統(tǒng)的體外傳感器而言,在人體內(nèi)部的植入式醫(yī)療設備能夠更加精確方便地獲取人體生理、病理數(shù)據(jù)。作為植入式醫(yī)療設備中的關鍵器件之一,植入式天線可將生物傳感器檢測到的生理信號無線發(fā)送到體外設備。圓極化天線可以有效解決傳統(tǒng)體內(nèi)外線極化天線之間的極化失配而需要對準放置的問題,并能提高抗多徑干擾能力。本論文由國家自然科學基金(No.61372008)、廣東省科技計劃(No.2014A010103014,No.2015B010101006)等項目的資助,研究植入式醫(yī)療設備的圓極化天線。主要工作內(nèi)容有:1)單頻小型寬帶圓極化植入式天線:在分析了圓極化植入式天線在體內(nèi)外通信具有的特殊優(yōu)勢情況下,設計了一款工作在915-MHz ISM頻段的小型圓極化植入式天線。通過在方形輻射貼片中心對稱地加載十字縫隙,實現(xiàn)了天線的小型化。通過對稱地引入兩個短路探針,實現(xiàn)了寬帶化。通過引入箭頭形狀的縫隙單元,實現(xiàn)了天線的圓極化。最終天線尺寸為13 mm×13 mm×0.635 mm,具有低剖面的特點,阻抗帶寬為0.743–1.07GHz(35.4%),3-dB軸比帶寬為0.863–1 GHz(14.7%)�？紤]到人體特殊的工作環(huán)境,本研究分別建立了結(jié)構(gòu)較簡單的人體模型和高精度的人體模型。為了降低植入式設備的功耗,延長其使用周期,本文進一步設計了一款植入式雙頻天線。2)差分饋電雙頻雙圓極化植入式天線:天線通過在雙環(huán)內(nèi)部加載三角形貼片產(chǎn)生了慢波效應,使低頻段諧振頻率極大降低,實現(xiàn)了天線小型化,同時這種雙環(huán)內(nèi)部的加載產(chǎn)生了高頻諧振,實現(xiàn)了雙頻特性,最終覆蓋了915-MHz ISM頻段(用于數(shù)據(jù)通信)和2.45-GHz ISM頻段(用于狀態(tài)控制)。這種雙頻特性允許植入式設備待機狀態(tài)處于睡眠模式以降低功耗,通信時可通過高頻段發(fā)送喚醒信號使其進入工作模式。通過調(diào)節(jié)雙環(huán)和加載單元的形狀和尺寸,可以實現(xiàn)雙頻段的圓極化特性。此外差分饋電技術(shù)的采用使得天線能夠直接地與植入式醫(yī)療設備中的差分集成電路連接,提高了系統(tǒng)集成度和抗干擾能力。天線尺寸為18 mm×9 mm×0.635 mm,具有低剖面的特點,在低頻段的阻抗帶寬為795–1110 MHz(33%),3-dB軸比帶寬為859–960 MHz(11.1%),在高頻段的阻抗帶寬為2.36–2.58 GHz(8.9%),3-dB軸比帶寬為2.29–2.5 GHz(8.7%)。文中詳細分析了天線的工作原理,研究了關鍵參數(shù)對天線性能的影響,分析了天線的輻射性能、SAR以及通信鏈路預算等。最后對天線進行了實物制備,實際測量結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果基本吻合,驗證了理論設計的準確性。其研究成果已經(jīng)在國際會議IEEE International Conference on Computational Electromagnetics(ICCEM)上宣讀。3)應用于無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的圓極化天線:在上述雙頻雙圓極化天線的基礎上通過本文所提出的三層模型轉(zhuǎn)換方法,將平面結(jié)構(gòu)天線轉(zhuǎn)換為新型的三維膠囊共形天線。本文詳細闡述了三層模型轉(zhuǎn)換方法和膠囊天線的設計步驟。膠囊尺寸為11.4 mm×26mm(直徑×長度),天線厚度為0.6 mm。最終設計的膠囊天線不僅是個輻射器,同時也是整個膠囊系統(tǒng)的機械封裝層和電磁屏蔽層,形成一種自封裝結(jié)構(gòu)。最后分析了膠囊天線的輻射性能。本文所研制植入式圓極化天線具有小型化、寬帶化、低功耗等特性,且能抗多徑干擾,在生物醫(yī)學遙測的植入式醫(yī)療設備中具有較好的應用前景。希望通過本文的圓極化天線研究,能為植入式天線設計提供參考。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TH77
【部分圖文】：

第一章 緒論究背景及意義著社會人口老齡化日益嚴重、亞健康人群不斷增加等社會現(xiàn)象的出現(xiàn)受到人們的關注�，F(xiàn)階段社會醫(yī)療服務水平仍需進一步提升以滿足消療資源匱乏和分配不均等現(xiàn)狀也促使人們提出了多種具有前景的醫(yī)例如醫(yī)療護理無線人體局域網(wǎng)系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，其中息可以通過網(wǎng)關與醫(yī)院、護理院、家庭網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)平臺進行通信，或移動醫(yī)療等應用[1]。作為整個通信網(wǎng)絡的重要組成部分，無線eless BodyArea Network，WBAN）是實現(xiàn)這些醫(yī)療應用的關鍵技術(shù)。中心的，由和人體相關的各種網(wǎng)絡元素組成的短距離無線通信技術(shù)[2,的設備主要分為植入式傳感器節(jié)點和可穿戴傳感器節(jié)點。

此設計一款性能良好的圓極化天線具有一定的難度。目前國內(nèi)外對植入式圓極化天線的研究較少，直到最近幾年才出現(xiàn)相關文獻報道。2014 年新加坡國立大學 Y. X. Guo 教授的團隊提出了一款工作在2.45-GHz ISM 頻段的多層介質(zhì)基板的小型螺旋圓極化天線[12如圖 1-2（a）所示，天線采用多層高介電常數(shù)的羅杰斯介質(zhì)基板，型號為 RO3010，每層介質(zhì)基板厚 0.635 mm，并通過金屬過孔連接各層基板上的開口環(huán)金屬結(jié)構(gòu)，形成堆疊式的螺旋立體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生軸向模式的行波輻射。天線總大小為 π × （5.5 mm）2× 0.63mm。通過調(diào)節(jié)各層介質(zhì)基板上開口環(huán)貼片的半徑和開口大小以獲得足夠大的阻抗帶寬和軸比帶寬，最終實現(xiàn)了 33.3%的軸比帶寬。通過仿真軟件得到的 S 參數(shù)與軸比參數(shù)如圖 1-2（b）所示。作者也研究了其他電子元件對天線性能的影響，以及天線植入到人體不同部位的性能變化。天線實測是將天線放入模擬人體組織的液體模型中進行測量的由于植入式天線增益非常小，作者通過測量植入式天線和體外天線之間的傳輸系數(shù) S2隨體外天線的旋轉(zhuǎn)引起的變化量來間接驗證天線的圓極化性能。

（a） （b）圖 1-3 容性加載圓極化植入式天線（a）天線結(jié)構(gòu)（b）天線反射系數(shù)和軸比曲線上述植入式圓極化天線的不足之處是軸比帶寬較窄，Y. X. Guo 教授的團隊繼15 年提出了另一種應用于生物醫(yī)學遙測的小型圓極化天線[14]。作者指出，由于天線在實際工作中很難與外部天線保持一個固定的角度并且很多情況下需要確的移動性，因此研究圓極化植入式天線具有重要的意義。如圖 1-4 所示，該天線
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本文編號：2860034