植入人体的微带贴片天线的研究

摘要

本文首次提出了将人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线辐射特性的影响量化的计算方法；并在充分利用高损耗特性的影响的前提下，首次将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中来；最后分别设计出了三款具有宽阻抗带宽特性的植入式线极化微带贴片天线和三款具有宽轴比带宽特性的植入式圆极化微带贴片天线。本文研究内容概括安排如下： 第一章首先回顾了植入天线的发展历程。随后，详细介绍了目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究现状。目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究，主要集中于如何设计出具有宽阻抗带宽特性和宽轴比带宽特性的微带贴片天线，并且采用的方法均是聚焦于天线的自身结构。 第二章首次提出了量化人体组织和器官对于微带贴片天线辐射特性影响的计算方法，完善了微带贴片天线埋藏在具有高损耗特性介质中的辐射理论。首先介绍了人体组织及其器官独特的电参数。人体组织和器官可以视为具有高相对介电常数、高损耗正切角特性的电磁材料，并且其相对介电常数和损耗正切角是随频率变化的，这一特性与自由空间迥异。随后，本章接下来的内容介绍了目前所使用的两类人体组织模型。然后，对本文所采用的微带天线做了简单的介绍，并详细给出了在自由空间以及人体组织和器官中这种具有高损耗正切角特性材料中的微带天线的品质因数（QT值）的计算过程。计算结果表明，植入于人体组织和器官中的微带天线的QT值极小。这与工作在自由空间中的微带天线所具有的高QT值极大的不同。而且当微带贴片天线植入于人体环境时，随着植入深度d的增加，微带贴片天线的QT值的也随之降低。这个不同点就给植入于人体组织和器官中的微带天线的设计带来的新的思路。 第三章在充分利用第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线QT值和输入阻抗的影响前提下，尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中，设计了三款具有宽阻抗带宽特性的线极化植入式微带贴片天线。在3.1节采用传统的办法，即在辐射贴片的四周增加一个正方形金属环，用于在微带贴片天线的辐射基模的谐振频率附近产生一个附加的谐振模式，从而展宽整体的阻抗带宽。在3.2节中介绍了基于微带贴片天线自身模式的多模辐射理论，并且详细讨论了如何抑制与调节不需要的高次模。在3.3节中充分利用人体组织的高损耗特性和微带贴片天线自身的多模辐射，设计出了一个基于差分馈电的、植入于人体组织和器官中的、宽带线极化微带贴片天线。该型天线的相对阻抗带宽高达65.8%。在3.4节当中，完成了3.3节所设计的天线的小型化，设计出了一个植入于人体的宽带线极化PIFA天线。对3.3节和3.4节中所设计的两款天线，均对其仿真过程与结果，SAR值，敏感性，生物兼容性进行了详细的研究。并且，这两款天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中，并在人体解剖模型中仿真验证其宽阻抗带宽特性。 第四章在充分利用了第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线QT值和输入阻抗的影响的前提下，尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式圆极化微带贴片天线的设计中，设计了三款具有宽轴比带宽特性的圆极化植入式微带贴片天线。在4.1节采用传统的办法，设计了基于一对简并模（即辐射基模TM10模和TM01模）的圆极化微带贴片天线。该天线展宽轴比带宽的方法是从天线自身的结构出发，即短路销钉来实现。在4.2节中，利用人体组织和器官所具有的高损耗正切能够展轴比带宽的特性，设计出了一个单馈的、植入于人体组织和器官中的、宽带圆极化微带贴片天线。研究表明，该型天线的相对轴比带宽为5.3%。在4.3节中，在4.2节所设计的天线基础上，利用微带贴片天线自身的多模辐射理论，并结合人体组织和器官所具有的高损耗正切角特性，设计出了一款植入于人体组织和器官中的、利用两对简并模（即辐射基模TM10模、TM01模和辐射高次模TM30模、TM03模）的、圆极化微带贴片天线。4.2节和4.3节中设计的圆极化微带贴片天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中，并在人体解剖模型中仿真验证其圆极化特性。 第五章中对本论文所有的研究工作进行了归纳与总结，并对植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究工作进行了展望。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 植入式微带贴片天线的研究现状

1.2.1 具有宽阻抗带宽特性的植入式微带贴片天线

1.2.2 具有宽轴比带宽特性的植入式微带贴片天线

1.3 本研究的主要创新点和主要贡献

1.4 本学位论文的章节安排

第二章 植入人体中的微带贴片天线的品质因数的研究

2.1 人体组织参数及其电磁特性

2.2 人体组织模型

2.3 植入人体组织和器官中的微带贴片天线的品质因数

2.3.1 微带天线的简介

2.3.2 天线的品质因数值

2.3.3 自由空间中的微带贴片天线品质因数的计算

2.3.4 植入人体中的微带贴片天线品质因数的计算

2.3.5 微带贴片天线的品质因数的仿真

2.3.6 植入微带贴片天线所具有的极小的品质因数值的讨论

2.4 本章小结

第三章 宽带线极化植入式微带天线

3.1 基于自身结构的宽带线极化植入式微带贴片天线

3.1.1 天线的设计

3.1.2 仿真结果

3.1.3 敏感性分析

3.1.4 测试结果

3.1.5 性能的讨论

3.2 微带贴片天线的多辐射模理论

3.2.1 微带贴片天线自身的辐射模式

3.2.2 微带贴片天线自身的高次辐射模的利用与抑制

3.3 基于差分馈电的宽带线极化植入式微带贴片天线

3.3.1 差分馈电的参数

3.3.2 天线的设计

3.3.3 仿真结果

3.3.4 关于SAR值

3.3.5 敏感性分析

3.3.6 生物兼容性讨论

3.3.7 模型完整性分析

3.3.8 测试结果

3.4 基于平面倒F结构的宽带线极化植入式微带贴片天线

3.4.1 天线的设计

3.4.2 仿真结果与SAR值

3.4.3 敏感性分析

3.4.4 模型完整性与生物兼容性分析

3.4.5 测试结果

3.5 本章小结

第四章 宽带圆极化植入式微带贴片天线

4.1 基于贴片自身结构的宽带圆极化植入式微带贴片天线

4.1.1 天线的设计

4.1.2 仿真结果

4.1.3 模型完整性分析

4.1.4 测试结果

4.1.5 性能的讨论

4.2 基于人体组织和器官所固有的高损耗特性展宽轴比带宽的研究

4.2.1 天线的品质因数与天线的设计

4.2.2 小型化后的天线的仿真结果与SAR值

4.2.3 小型化后的天线敏感性分析

4.2.4 小型化天线的模型完整性与生物兼容性分析

4.2.5 测试与误差分析

4.3 基于自身辐射模式的宽带圆极化植入式微带贴片天线

4.3.1 天线的设计

4.3.2 天线的仿真结果与SAR值

4.3.3 天线的敏感性分析

4.3.4 天线的模型完整性与生物兼容性分析

4.3.5 天线的测试

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文的工作总结

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果