医疗植入物的31.5 GHz贴片天线设计

文摘

我们已经提出了一个31.5 GHz贴片天线对医用植入物材料。设计是基于春秋国旅的传输线模型和模拟。贴片天线性能相当不错的回波损耗和辐射效率。然而,这种设计的最具吸引力的特性是它的形式因素。典型的天线设计微波范围相当大的规模,这使得它们不适合移植。提出的设计规模小得多,但仍保留了可靠通信的基本特征。

1。介绍

天线的设计与植入人体内部的沟通研究社会问题受到越来越多的重视。这些天线的设计非常具有挑战性,因为有一个对权力的限制数量,可以传播和这些设备的大小。对传输功率的限制是由于电池可用的数量以及因担心接触人体的电磁辐射。通常这些设备允许的峰值传输能量25威斯康辛大学(−16 dBm),在更高的频率相当不足特别是嵌入式深入组织。今天这些植入物被用于监测以及促进各种人体器官的工作,例如,如心脏起搏器。

2。调查的植入天线

许多不同的天线设计已经考虑医疗植入物。在[1),螺旋和螺旋天线的设计被认为是和作者模拟这些天线的性能使用单一块肌肉和一个现实的人的肩膀。实验结果也验证了使用组织模拟的材料组成的tx - 151,糖,盐,和水。介质的形状和大小的影响以及馈电点的位置对天线的性能进行了研究。一个类似的执行分析2螺旋),平面inverted-F天线(PIFA)。然而,作者主要关注人类的大脑使用six-layer模型(大脑,CSF,硬脑膜,骨头,脂肪,和皮肤)。结果再次验证了使用人类tissue-simulating液体由去离子水,糖,盐,和纤维素。在这些论文中,作者认为是402 - 405 MHz的频率,一直推荐的欧洲无线电通信委员会(ERC)超低功耗、活跃、医学植入物。模拟执行使用时域有限差分(FDTD)方法。此外,一个使用球面二元格林函数分析方法(DGF)也被认为是2]。

在[3],天线的问题去谐和信号损失研究的超小型环形天线设计为900 MHz ISM和402 MHz麦克风收音机乐队。可以看出通过适当的封装领域的高电场强度天线可以大大减少去谐。这与磁单极子,经历相当大的解谐(高达13%)和信号损失在同一频率。

植入一个实际操作的结果在403 MHz麦克风乐队介绍4]。一个有机玻璃体内植入物被(30厘米直径圆筒)和信号强度测量距离的函数。链接的错误率也被评估。是观察到的外部设备的通信链路是保持距离的3 m植入时放置在10厘米的深度。使用的植入一个睡眠和唤醒序列(2.4 GHz, 20 dBm唤醒信号)延长电池寿命。

3所示。限制在设计过程中

微带天线设计是一个相当成熟的领域,和几位设计多年来已经被提议5- - - - - -7]。与任何其他天线设计,微带的大小成正比的波长在操作频率。在402 MHz,电磁波的波长大约是0.75米。很明显,任何天线尺寸与波长不能用于一个植入。这项技术通常用于解决这个问题是设计一个导电表面螺旋衬底的表面。然后微带谐振频率的螺旋的总长度成正比,而不是任何个人元素的长度。虽然这导致尺寸减少,还不是完全适合一个植入(见表2)。我们调查的想法使用矩形贴片天线设计操作的毫米波频率。众所周知,在这些频率非常高的衰减电磁波经验,然而,不需要放置深植入组织和适当的收发组合仍有可能保持可靠的通信。中被定义为的穿透深度 在哪里衰减常数。这是一种电磁波的振幅的距离减少它的原始值。

已经观察到,在毫米波的大部分损失发生在第一层,即皮肤。有一个相对较少的损失在脂肪和介质的边界。图1显示层内的功率损耗的皮肤作为频率的函数。也显示相应波长的一半应作为指导天线的大小。实际天线的尺寸也会依赖于衬底材料;然而,任何大小会减少比例的整个频率范围。

4所示。设计过程

微带天线可以用传输线模型或设计腔模型(更复杂的模型也存在适合一个特定的设计)。我们使用的传输线模型,因为它是相当简单的实现和结果性能良好的天线设计的回波损耗和效率。它也很适合矩形设计,我们认为(其他受欢迎的设计包括圆形、椭圆和光盘)。设计首先选择工作频率,选择一个衬底介电常数,定义基板的宽度(图2)。厚的介电常数较低的基质导致天线设计效率高和大带宽。薄底物具有高介电常数导致较小的天线尺寸但较低的带宽和高辐射损失(5]。衬底厚度和介电常数之间的权衡和天线的带宽和效率一直在讨论(8- - - - - -10]。我们在设计与使用罗杰斯RT6002 2.94介电常数和损耗角正切的0.0012。

根据传输线模型,长度和宽度补丁的计算 在哪里光在自由空间中的传播速度,有效介电常数,扩展的长度是由于边缘效应: 尽管补丁的设计很简单,进给机构的设计并不简单。有四种可能的方法,可以使用:(1)微带馈电;(2)探针饲料;(3)aperture-coupled饲料;(4)Proximity-coupled饲料。我们使用微带线提要,因为它相对容易模型,匹配和制造。它导致低收入天线带宽(2 - 5%);然而,这应该是满足我们的应用程序。馈点的计算是基于最高权力交接的原则会发生当线的阻抗匹配。在共振频率,阻抗补丁是零的点沿其长度的一半。因此,馈点通常是一个小中心的偏移。我们首先计算和补丁的自我和互导终端(也称为辐射槽),分别为: 在哪里 和是修改后的第一类贝塞尔函数和秩序为零。插图的长度可以计算基于以下关系: 在这里,所需的阻抗值完美匹配。自从插图创建一个物理切口的补丁,它也改变其共振频率(由于结电容);然而,这种转变通常是一小部分的实际频率,可以忽略。另外,补丁的长度或宽度必须修改,和提要位置必须重新计算。插图的宽度有点武断。

5。仿真结果

然后模拟贴片天线设计在中科31.5 GHz的频率。天线放置在一个三层组成的身体皮肤,脂肪,和空气(图3)和激励波导端口的归一化功率(表示10通用汽车组织,我们使用。传输功率应小于16兆瓦(1.6 W / kg×0.010公斤)。这将减少我们的链路预算大约18 dB)。我们使用空气作为天线周围的空腔;然而,在实践中,一些其它低介电常数介质可以用来提供一个天线和身体之间的匹配。仿真中使用的介质数据表1。

由此产生的年代参数和三维辐射模式如下所示(数字4- - - - - -6)。天线的回波损耗超过30 dB和max侧向9.32 dBi的方向性。天线展览一些解谐体内被调整其尺寸。E-plane P-field模式和h面图所示7。可以看出天线效率很低由于身体内的高损失;然而,它有一个良好的比例。嵌入式天线有侧向峰值功率密度−57.5瓦分贝/ m²在1米的距离。

各向同性的散热器1 W的传输能量,功率密度在1米的距离 和嵌入式补丁的增益功率密度 等于结果通过p-field模拟表示计算机仿真技术(CST)认为天线和身体的散热器。因此,获得的获得完整的结构,而不仅仅是设计天线)。

现在,如果有效面积已知天线的接收功率在一个特定的距离可以很容易地计算。有效面积(11给出了半波偶极子的 在哪里是接收天线增益。这使的接收功率−106.95瓦分贝或−76.95 dBm (表示文本中给出的公式,利用方向性而获得;然而,这仅仅是有效辐射)如果没有损失。

没有身体的,天线的功率密度在1米的距离。因此,有一个功率损耗为53.87 dB体内。类似的结果获得了反向链接使用文中52.40 dB的损失在哪里观察层内的皮肤和脂肪(图8)。必须指出的是,植入和外部设备之间的无线通信信道不对称,预算在一个方向上的联系可能是完全不同的另一个方向。

最后,我们展示了p-field行为在体外的函数(图的距离9)。正如预期的那样,在没有任何外部的身体,P-field遵循规则。

6。结论

虽然信号电平−76.95 dBm理论上可能就足够了,它还不能够在一个现实的场景,信号将经历多路径衰落和来自其他无线设备的干扰。然而,必须指出的是,我们已经考虑一个简单的偶极子天线在接收方名义定向增益。由于没有限制大小的外部设备,我们可以利用一个巨大的天线增益非常高的方向传播。在某些情况下,它也可能将天线靠近身体(小于1 m)进一步改善接收信号的质量。

最后,必须指出体内天线回波损耗的增加(+ 11.81 dB),也有一些频率失谐(1.14%)。高回波损耗是一个可取的特点但频率解谐不是也可以删除通过调整天线的尺寸,这样零发生在所需的频率。

引用

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