Design of dual-band implantable antenna for intra-oral tongue drive system
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摘要: 口舌驱动系统是一种能够为丧失自主生活能力的患者提供帮助的辅助技术. 为了满足该系统工作需求并为其提供良好的无线通信能力，提出了一种具有双频、柔性、宽频和小型化特性的植入式天线设计方案. 考虑计算时间及设计方案的可行性，天线的设计在单层人体肌肉模型中完成，为了探究天线在口舌驱动系统中的性能表现，提出了多层人体口腔模型. 借助曲流结构和缺陷地结构实现了天线的小型化设计，通过调整天线的馈电点位置，实现了天线的双频和宽带特性，通过在天线上下表面涂覆与介质基板相同材料的保护层，避免了天线与人体的直接接触从而提高了生物安全性. 通过仿真确定了天线的最佳几何结构，并在新鲜猪肉和皮肤仿真液中进行测量，结果表明，该天线能够稳定工作在0.433 GHz和2.45 GHz频段. 天线在两个频段的阻抗带宽分别达到了78.2%和34.2%，而整体尺寸仅为10 mm×10 mm×0.35 mm，同时天线表现出较低的比吸收率值. 在此基础上，进行了远场数据传输测试，结果表明天线具有良好的远场传输能力，能够满足口舌驱动系统的应用需求.Abstract: Intra-oral tongue drive system(ITDS) is an assistive technology that can help patients who have lost their ability of independent life. To meet the working requirements of the ITDS and to provide good wireless communication capability, an implantable antenna with dual-band, flexible, broadband and miniaturized characteristics is proposed. Considering the computational time and the feasibility of the design scheme, the antenna is designed in a single-layer human muscle model. Then a multi-layered human oral cavity model is used to verify the performance of the antenna in the ITDS. The compact structure of the antenna is achieved by the curved flow structure and defective ground structure; and with help of the feed point position, the dual-band and broadband characteristics of the antenna are realized. Furthermore, to avoid the direct contact between the antenna and human body and improve the safety, a protective layer is introduced by coating the same material as the dielectric substrate on the upper and lower surfaces of the antenna. After simulation and calculation, the antenna sample is fabricated and measured in the fresh mince pork and simulation fluid. The results show that the antenna can work stabely in 0.433 GHz and 2.45 GHz bands. In addition, the impedance bandwidth reaches 78.2% and 34.2%, the size is only 10 mm×10 mm×0.35 mm, while the antenna exhibits a low specific absorption rate value. The remote field data transmission capability is tested and the results indicate that the antenna has good far-field transmission capability, which can meet the application requirements of the ITDS.
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引 言
当前，由于患有中风、小儿麻痹症、神经肌肉等严重疾病[1]，越来越多的人丧失了独立生活的能力. 口舌驱动系统作为一种辅助技术能够帮助这些患者提高生活质量，例如其可以通过变化舌头的不同姿态控制轮椅和电脑等设备，如图1所示[2-5]. 由于上述优点以及其巨大的应用前景，口舌驱动系统引起了人们的广泛关注. 然而，如何建立口舌驱动系统与设备之间的连接一直是困扰研究者的难题. 最初，口舌驱动系统借助有限电缆实现口腔与外部之间的通信[6]，但这种方式不仅让用户感到不舒服，并且通信距离也受到限制. 因此，为了解决上述问题，无线通信方式无疑是更好的选择. 为了建立稳定的通信链路，并且保持长期恒定的数据传输能力，通信系统中电源和天线等部件的设计至关重要. 作为无线通信系统中的核心器件之一，天线性能的好坏直接决定了通信质量的优劣.
针对口舌驱动系统的天线设计，研究者们已经提出来很多设计方案. 文献[7]中提出了一种应用于口舌系统中的弯曲偶极子天线，其工作频率为2.45 GHz，并利用时域有限差分方法在真实的人体仿真环境中对所设计天线进行了仿真验证；文献[8]中建立起了有效稳定的无线通信链路，然而上述研究中提出的天线均工作在单频段(2.45 GHz). 文献[9]中借助印刷电路板(printed circuit board, PCB)技术研究了一种片上双频天线，借助线圈耦合的方式实现了口腔与外部终端设备之间的通信；但设计的天线尺寸较大，使得系统在口腔内体积笨重. 此外，作者没有考虑口腔内的比吸收率(specific absorption rate, SAR)等电磁辐射安全因素，这是影响使用者健康的一个重要参数. 近年来，关于可植入天线的各种研究都是围绕可植入天线小型化[10-11]、宽频带[12-13]、多频段[14-15]和高增益[16]展开的. 但是，由于口腔解剖和周围组织的变化，植入天线并不适用于口舌系统. 此外，在大多数情况下，可植入天线的增益非常小，不足以满足口舌驱动系统的应用. 为了克服外界干扰导致信噪比降低的问题，一种可能的解决方案是设计一种高增益天线，它可以在舌头和下巴运动时在口腔中工作. 然而，当天线放置在口腔内或植入人体时，由于其与生物组织的吸收和强耦合，其辐射性能显著下降. 另一种方法是设计多频段天线. 在这种设计中，如果外部干扰一个工作频带，系统切换到另一个较高信噪比的工作频带，就可以实现天线的稳定高效工作. 同时，为了实现与系统的共形效果，降低系统整体体积，柔性天线设计也是至关重要的.
在本研究中，提出了一个工作在工业、科学和医疗(industrial scientific medical, ISM)频段0.433 GHz和2.45 GHz 的天线，0.433 GHz和2.45 GHz 两个频段被划分在生物医学工程频段，具有普遍性. 频段覆盖低频和高频，可以实现天线的大数据量传输及强的抗干扰能力. 天线的最初设计是在单层肌肉模型中完成的. 为了进一步验证天线的性能，建立了多层人体口腔模型用以模拟天线在口腔中的工作. 之后，为了论证天线的安全性和数据传输能力，计算了天线在组织中的SAR值和链路余量.
1 天线结构设计
设计的天线由辐射贴片、接地平面、介质基板和封装层组成，如图2所示，其中，辐射贴片是左右对称的两个螺旋结构. 接地平面上开了一对十字形缝隙，如图2(b)所示，这种结构能够显著减小尺寸，提高带宽并可在相应频率上进行调谐. 介质基板材料选择厚度为0.15 mm的聚酰亚胺(εr = 3.5，tan δ = 0.008). 天线由半径为0.2 mm的50 Ω同轴馈源激励，并通过调整适当的馈源位置(x=1.5 mm，y=7.1 mm)来实现良好的阻抗匹配和双频特性. 为了避免与人体组织直接接触引起不适，我们在辐射贴片的上部和接地平面的下部加入两层封装材料，材料选择与介质基板相同，同时厚度设计为0.1 mm. 通过优化，可以调整谐振频率，使得天线工作在ISM双频段0.433 GHz和2.45 GHz处，同时获得 10 mm×10 mm×0.35 mm的紧凑天线结构.
为了验证设计方案的合理性以及考虑时间成本，天线的仿真是在大小为 100 mm × 100 mm × 100 mm 的单层人体肌肉模型中进行的，如图3 所示. 肌肉模型被尺寸为 300 mm × 300 mm × 300 mm的辐射边界所包裹，相当于谐振频率下的 0.433λ0 ×0.433λ0 × 0.433λ0(λ0为自由空间波长). 单层人体肌肉模型在0.433 GHz和 2.45 GHz频率处的介电常数和电导率分别为 εr = 56.873 和 σ = 0.80 S/m，εr = 52.73 和 σ = 1.74 S/m[17]. 该双频天线植入深度设置为4 mm，辐射边界各边与天线之间的距离为60 mm.
1.1 表面电流分布
为了进一步了解天线的工作机理，图4展示了天线在相同相位下不同谐振频率处的表面电流分布. 从图4(a)可以看出，在0.433 GHz频段，整个辐射贴片均被激励，同时电流流动方向沿着螺旋结构方向没有改变，这说明在该频段天线的阻抗匹配良好. 此外，由于电流在辐射贴片中的流向相同，表明该天线此时谐振在1/4波长的单极子模式. 从图4(c)可以看出：对于2.45 GHz频段，辐射贴片只有部分被激励，与0.433 GHz相比，区域明显减少；在拐角处电流流向发生了多次变化，表明该天线此时谐振在全波长环形天线模式[18-19]. 同时，从图4(b)和(d)可以看到在两个谐振频率下接地平面的电流分布情况，从而获得十字形缝隙对该螺线天线谐振频率的影响. 从图4不难看出，当天线谐振在低频段时，天线接地平面激励起的表面积较大，随着谐振频率的增加，谐振表面积不断减小，这也证实了谐振频率与有效谐振面积成反比.
1.2 地面十字形槽对天线性能的影响
天线设计过程中，十字形槽的设计可分为三步，图5展示了天线反射系数(|S11|)在不同步骤中的变化情况. 天线结构最初包括一个具有对称螺旋臂辐射贴片和全金属的接地平面，此时，天线谐振在0.5 GHz和 1.89 GHz处，阻抗带宽分别为 0.415~0.767 GHz 和 1.797~1.963 GHz. 为将天线的工作频率调整到ISM 频段(0.433~0.434 GHz 和 2.4~2.48 GHz)并保持天线的结构紧凑，在接地平面中加载了一个水平矩形缝隙. 当引入水平缝隙后，天线的谐振频率在低频保持不变，高频偏移到2.55 GHz，两个谐振频率0.433 GHz和 2.45 GHz处的阻抗带宽也变为0.332 GHz (0.408~0.740 GHz)和0.565 GHz(2.276~ 2.841 GHz). 考虑到较窄的阻抗带宽和中心频率的偏移，在水平缝隙的基础上引入了一个垂直槽，其与水平缝隙形成十字形交叉槽. 另外，随着垂直槽的引入，天线在高频处的阻抗带宽也从0.565 GHz提高到 0.840 GHz，并且中心频率也随即变为2.42 GHz. 最终，实现了天线的双频工作和在不同谐振频率下的宽带特性.
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图 5 地面槽对天线性能的影响Fig. 5 Effects of the ground slots on the performance of the proposed antenna1.3 不同植入深度和弯曲角度对天线性能的影响
最初的仿真设置中，天线在单层人体肌肉模型中的植入深度被设定为4 mm，然而，在实际应用中，由于位置的不确定，不能保证天线的植入深度为恒定值. 因此，为了测试天线在不同植入深度的稳定性，测试了天线在不同植入深度情况下的性能，结果如图6所示. 在仿真测试中，设定植入深度变化范围为4 ~40 mm，以10 mm作为变化步进值. 可以看出，随着植入深度的不断变化，天线的反射系数在低频时略有变化，在高频时保持不变，总体来说天线性能非常稳定，能够保持在不同植入深度下的稳定高效工作.
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图 6 植入深度对天线性能的影响Fig. 6 Effects of the implant depth on the performance of the proposed antenna另一方面，考虑到天线采用的柔性介质，在不同共形情况下天线的性能探索也是非常必要的. 在图7中，仿真了天线在没有弯曲，以及弯曲角度分别为R = 10 mm和R = 20 mm情况下天线的反射系数变化情况. 可以看出，随着曲率的增加，谐振频率下移到较低的频率，同时天线的阻抗匹配在高频处逐渐恶化. 当 R = 10 mm 时，反射系数可以保持与平面情况下较为接近，但阻抗匹配略微变差. 当 R = 20 mm 时，反射系数开始偏移到较低频率. 整体而言，天线的性能在不同弯曲情况下保持了较强的鲁棒性.
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图 7 弯曲半径对天线性能的影响Fig. 7 Effects of the curve radius on the performance of the proposed antenna2 仿真模型建立与结果讨论
我们已经分析和讨论了提出的双频螺旋天线在单层肌肉模型中的性能表现. 然而，本设计的目标应用场景为口舌驱动系统，为了检查天线放置在口舌驱动系统中的效果，借助基于有限元法(finite element method, FEM)的Ansoft HFSS软件构建了如图8所示的多层各向异性口腔模型. 口腔模型主要包括皮肤、脂肪、肌肉、唾液、舌头和牙齿六种组织，这些组织以镶嵌结构分层. 其中皮肤、脂肪、肌肉和唾液均为五棱柱结构，其大小分别为 200 mm×200 mm、180 mm×180 mm、160 mm×160 mm和 80 mm×80 mm. 而舌头由10 mm×40 mm×50 mm的长方形块和π×(20 mm)2×10 mm的半圆柱相加而组成，牙齿是一个π×(24 mm)2×8 mm的半圆柱. 由于这些组织的电特性都是随着频率变化的[17]，因此给定它们在2.45 GHz处的电特性（如表1所示）. 在仿真中，设定天线植入位置位于天线的牙齿前部. 另外，为了模拟口腔张开的情况，在上下牙齿之间引入了一个长方体，设置其材料为空气.
表 1 2.45 GHz处不同人体组织的电特性Tab. 1 The electrical characters of human tissue at 2.45 GHz组织名称 介电常数εr 电导率/(S·m−1) 损耗正切tan δ 皮肤 38.01 1.46 0.02 肌肉 52.73 1.74 0.24 唾液 43.04 1.69 0.29 脂肪 5.28 0.10 0.15 舌头 52.63 1.80 0.25 牙齿 11.38 0.39 0.25 图9展示了天线在多层口腔模型中不同状态下与在单层肌肉模型中时的反射系数对比结果. 可以观察到，天线在口腔模型中时，在低频处的谐振频率保持稳定，而在高频处会产生变化，从肌肉模型中的2.48 GHz 分别偏移至闭口状态下的2.19 GHz和张开状态下的2.17 GHz. 究其原因，主要是因为多层口腔模型中的组织比单层肌肉模型更多，导致损耗加大. 此外，较高频率对组织的电特性更敏感，相应的较低频率时电特性的变化对于天线谐振频率影响较小. 另外，天线在三种不同仿真环境中的阻抗变化如图10所示. 可以看出，天线在低频0.433 GHz处的阻抗在不同仿真环境中保持稳定，且均接近50 Ω. 然而，在高频处，由于频率对电特性的敏感度增加，使得在不同仿真环境中天线的阻抗发生了一些变化，结果与反射系数类似. 值得注意的是，尽管在高频处天线的谐振频率发生了些许的变化，但是由于提出的天线具有宽的阻抗带宽，因此，无论何种工作环境，该天线的工作频率都能满足ISM频段的要求，这也充分证明了该天线适用于口舌驱动系统中.
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图 9 不同仿真环境中的天线反射系数对比Fig. 9 Comparison of the reflection coefficient of the antenna under the different simulated environments![]()
图 10 不同仿真环境中的天线输入阻抗对比Fig. 10 Comparison of the input impedance of the antenna under the different simulated environments2.1 天线辐射特性
图11(a)和(b)展示了该双频天线在xOy平面和xOz平面不同谐振频率处的实际增益方向图，并在两种不同仿真环境中，比较了三种不同状态下天线实际增益方向图的变化. 可以看出，所提出的天线主辐射方向向外，在单层肌肉模型中，0.433 GHz和2.45 GHz处的峰值增益分别为−30 dBi和−20 dBi. 在闭口和张口状态下，0.433 GHz处峰值增益分别为 −37.5 dBi 和 −38.4 dBi，2.45 GHz处分别为 −35.2 dBi 和 −35.6 dBi. 当天线位于不对称组织中时，方向图会有一定程度的恶化. 因此，由于多层口腔模型的不规则和不均匀性，辐射方向图发生了略微的恶化.
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图 11 天线在不同频率处和仿真环境中的远场辐射方向图Fig. 11 Far-field radiation pattern of the proposed antenna for different frequency and simulated scenarios为确保植入式设备对人体的安全，国际上制定了相应的电磁辐射安全标准. 目前有两个主流安全标准，即IEEE C95.1-1999[20]和IEEE C95.1-2005[21]，分别规定每 1 g组织的平均SAR值不能超过 1.6 W/kg和 每 10 g组织不能超过 2 W/kg. 假设所设计天线的输入功率为 1 W，通过在 HFSS 中计算，在不同频率处不同仿真环境中的SAR值分布如图12所示. 可以看出，在单层皮肤模型中，0.433 GHz处得到最大的SAR为 47.85 W/kg，2.45 GHz 处为 74.73 W/kg. 对应于安全标准，在 0.433 GHz处的最大净输入功率应限制为 33.43 mW，2.45 GHz 处为 21.41 mW. 在开口状态下，0.433 GHz处得到最大的SAR为 54.63 W/kg，2.45 GHz 处为 80.95 W/kg. 对应于安全标准，在 0.433 GHz处的最大净输入功率应限制为 29.28 mW，2.45 GHz 处为 19.76 mW. 表2展示了双频天线在 0.433 GHz和 2.45 GHz 处不同仿真环境下的1 g 最大 SAR 和最大可用净输入功率.
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图 12 天线在不同频率处和不同仿真环境中的SAR分布Fig. 12 SAR distribution of the proposed antenna in different environment表 2 天线在不同频率处的SAR值和最大净输入功率Tab. 2 SAR and the maximum net input power of the antenna at different frequencies仿真环境 最大SAR /(W·kg−1) 最大输入功率/mW 0.433 GHz 2.45 GHz 0.433 GHz 2.45 GHz 单层肌肉 47.85 74.73 33.43 21.41 闭口状态 60.53 92.19 28.33 19.64 开口状态 54.63 80.95 29.28 19.76 2.2 通信链路余量分析
通过评估天线的通信能力来确定天线可以工作的最大通信距离. 对于远场无线通信，链路余量Lm计算如下：
Lm=Pt+Gt−Lf+Gr−N0−Eb/EbN0N0−10lgBr+Gc−Gd. (1) 式中：Pt 代表发射机功率；Gt 和 Gr 分别代表发射天线(设计天线)和接收天线(单极子)的增益；Lf 和 N0 分别代表自由空间损耗和噪声功率密度； Eb/N0、Br、Gc 和 Gd 分别代表理想的相移键控比特信噪比、数据传输速率、编码增益和衰减修正因子.
根据自由空间中信号强度的降低与发送和接收间距离(d)之间的关系，自由空间中的路径损耗可以表示为
Lf=20lg(4πdλ). (2) 对于设计的双频植入式天线，计算Lm时利用的是单层人体肌肉模型中的优化结果. 植入天线作为发射天线的相关参数如下：谐振频率分别为0.433 GHz和2.45 GHz，增益分别为−30 dBi和−20 dBi. 对于外部接收天线，假设其为一个理想的单极子天线且没有阻抗损耗，增益为 2.15 dBi. 表3列出了用于计算天线Lm的详细参数. 由于馈入天线的功率为 −20 dBm，图13显示了该双频天线在 0.433 GHz和 2.45 GHz下不同传输速率的Lm与距离的关系. 文献[22]中规定，为满足通信要求，设计天线的Lm必须大于20 dB. 从计算结果可以看出：在2.45 GHz处传输速率为78 Mbit/s时，最大传输距离超过6 m，这显示了天线在高频情况下，具有对于高速率数据的传输能力；在其他情况下传输距离均超过10 m，这充分证明该天线具有良好的通信能力和完全能够适应口舌驱动系统的需求.
表 3 计算天线链路余量的重要参数Tab. 3 Important parameters of the link budget链路余量参数 取值 发射端 频率 f /GHz 0.433/2.45 发射功率 Pt /dBm −20 发射天线增益 Gt/dBi −30/−20 接收端 接收天线增益 Gr /dBi 2.15 温度 T0 /K 293 玻尔兹曼常数 k −1.38×10−23 噪声功率密度 N0 /(dB·Hz−1) −199.95 信号质量 数据传输速率 Br /(Mbit·s−1) 1/78 数据误码率 1.0×10−5 Eb/N0 (理想 PSK) /dB 9.6 编码增益Gc /dB 0 衰减修正因子 Gd /dB 2.5 ![]()
图 13 天线在不同频率处不同传输速率时的链路余量Fig. 13 Link budget when the antenna transmits different data at different frequencies3 实验结果与讨论
为了验证天线在单层人体肌肉模型和多层口腔模型中的仿真结果，将天线制作在0.15 mm厚的聚酰亚胺基板上，上下表面分别涂覆0.1 mm厚的聚酰亚胺，以避免与组织的直接接触，防止不良短路，并提供生物兼容性. 天线样品及反射系数测量设置如图14(a)~(c)所示. 天线通过蚀刻工艺制作，并通过同轴电缆与SMA连接器连接，从而实现天线的馈电. 同轴电缆连接到矢量网络分析仪(vector network analyzer, VNA). 利用VNA测量了天线在新鲜猪肉组织和模拟仿真液中的反射系数，结果如图15所示.
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图 14 天线样品及测试环境Fig. 14 Photograph of the antenna prototype and measurements environments![]()
图 15 不同测试环境中的天线仿真和实测反射系数对比Fig. 15 Comparison of the simulated and measured reflection coefficient in different scenarios最终，通过与已发表文献对比查看天线的性能优势，结果如表4所示。不难看出，所提出天线就阻抗带宽、尺寸大小和比吸收率等方面均领先于目前所提出的该类天线。同时，天线利用柔性介质材料相比于刚性介质材料，具有更好的共形效果和宽广的应用范围.
表 4 本文所设计天线与当前已发表文献中天线的性能对比Tab. 4 Comparison of the antenna performance between the proposed antenna and published references文献 天线类型 工作频率/GHz 阻抗带宽/% 远场增益/dBi 整体尺寸/mm3 SAR值 /(W·kg−1) 是否柔性? [7] 偶极子 2.450 24.4 −17.3 21.800×0.300×0.500 271.10 否 [8] 贴片 2.400 18.8 −10.6 60.000×13.000×0.750 - 否 平面倒F 2.400 29.2 −14.0 - 否 [23] 偶极子 0.915 163.0 −17.5 20.000×4.400×0.025 108.25 是 [24] 倒F型 0.433 - −32.3 30.000×30.000×1.270 - 否 [25] 环形 2.450 3.3 −21.0 25.000×18.000×5.000 - 否 [26] 平面倒F 0.433 31.8 −28.2 17.200×8.000×2.635 179.70 否 0.915 21.7 −24.5 160.70 偶极子 0.433 7.4 −19.1 42.000×10.000×2.635 48.68 否 0.915 11.5 −14.4 26.10 本文 偶极子 0.433 78.2 −30.0 10.000×10.000×0.350 60.53 是 2.450 34.2 −20.0 92.19 由图15可以看出：在新鲜猪肉组织中，天线在ISM频段0.433 GHz和2.45 GHz的阻抗带宽分别为0.284 GHz (0.373~0.657 GHz)和0.68 GHz (2.15~2.83 GHz)；在模拟仿真液中，在ISM频段0.433 GHz和0.915 GHz的阻抗带宽分别为0.213 GHz (0.373~0.586 GHz)和0.65 GHz (2.16~2.81 GHz). 从结果不难看出，天线在0.433 GHz处的仿真结果与测量结果吻合度很高；而在高频处出现了微小的偏差，主要原因是猪肉组织的电特性虽然与人体非常接近但是并不完全一致，而且频率越高特性相差越大，造成一定程度的偏差. 总体而言，天线由于具有宽带特性，而且整体鲁棒性较好，天线实测结果与仿真结果整体趋于一致，满足ISM频段工作的需要.
4 结 论
本文设计并实验验证了在ISM频段应用于口舌驱动系统的双频天线. 考虑了口腔的解剖结构和驱动系统的形状，采用多种小型化技术来缩小天线的尺寸，如弯曲辐射片、地面开槽以及添加适当的馈电位置等. 建立多层口腔模型对天线进行了仿真，并分别在张口和闭口两种情况下进行了仿真验证，结果表明天线在这两种情况下都有很好的性能. 此外，为了安全起见计算了天线的SAR值，发现在所有情况下天线的SAR值都在安全标准范围之内. 通过对比发现，所提出天线在整体尺寸、阻抗带宽、安全性以及稳定性方面与之前研究相比均有明显的优势. 通过在新鲜猪肉组织和调配好的模拟仿真液中对天线反射系数进行测量，从原理上验证了天线的优良性能. 未来可将天线口舌驱动设备集成在一起，在0.433 GHz和2.45 GHz的频段内，使口腔内设备和外部轮椅等设备之间建立可靠的连接，并对人体受试者进行应用评估.
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图 5 地面槽对天线性能的影响
Fig. 5 Effects of the ground slots on the performance of the proposed antenna
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图 6 植入深度对天线性能的影响
Fig. 6 Effects of the implant depth on the performance of the proposed antenna
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图 7 弯曲半径对天线性能的影响
Fig. 7 Effects of the curve radius on the performance of the proposed antenna
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图 9 不同仿真环境中的天线反射系数对比
Fig. 9 Comparison of the reflection coefficient of the antenna under the different simulated environments
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图 10 不同仿真环境中的天线输入阻抗对比
Fig. 10 Comparison of the input impedance of the antenna under the different simulated environments
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图 11 天线在不同频率处和仿真环境中的远场辐射方向图
Fig. 11 Far-field radiation pattern of the proposed antenna for different frequency and simulated scenarios
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图 12 天线在不同频率处和不同仿真环境中的SAR分布
Fig. 12 SAR distribution of the proposed antenna in different environment
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图 13 天线在不同频率处不同传输速率时的链路余量
Fig. 13 Link budget when the antenna transmits different data at different frequencies
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图 14 天线样品及测试环境
Fig. 14 Photograph of the antenna prototype and measurements environments
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图 15 不同测试环境中的天线仿真和实测反射系数对比
Fig. 15 Comparison of the simulated and measured reflection coefficient in different scenarios
表 1 2.45 GHz处不同人体组织的电特性
Tab. 1 The electrical characters of human tissue at 2.45 GHz
组织名称 介电常数εr 电导率/(S·m−1) 损耗正切tan δ 皮肤 38.01 1.46 0.02 肌肉 52.73 1.74 0.24 唾液 43.04 1.69 0.29 脂肪 5.28 0.10 0.15 舌头 52.63 1.80 0.25 牙齿 11.38 0.39 0.25 
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表 2 天线在不同频率处的SAR值和最大净输入功率
Tab. 2 SAR and the maximum net input power of the antenna at different frequencies
仿真环境 最大SAR /(W·kg−1) 最大输入功率/mW 0.433 GHz 2.45 GHz 0.433 GHz 2.45 GHz 单层肌肉 47.85 74.73 33.43 21.41 闭口状态 60.53 92.19 28.33 19.64 开口状态 54.63 80.95 29.28 19.76
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表 3 计算天线链路余量的重要参数
Tab. 3 Important parameters of the link budget
链路余量参数 取值 发射端 频率 f /GHz 0.433/2.45 发射功率 Pt /dBm −20 发射天线增益 Gt/dBi −30/−20 接收端 接收天线增益 Gr /dBi 2.15 温度 T0 /K 293 玻尔兹曼常数 k −1.38×10−23 噪声功率密度 N0 /(dB·Hz−1) −199.95 信号质量 数据传输速率 Br /(Mbit·s−1) 1/78 数据误码率 1.0×10−5 Eb/N0 (理想 PSK) /dB 9.6 编码增益Gc /dB 0 衰减修正因子 Gd /dB 2.5
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表 4 本文所设计天线与当前已发表文献中天线的性能对比
Tab. 4 Comparison of the antenna performance between the proposed antenna and published references
文献 天线类型 工作频率/GHz 阻抗带宽/% 远场增益/dBi 整体尺寸/mm3 SAR值 /(W·kg−1) 是否柔性? [7] 偶极子 2.450 24.4 −17.3 21.800×0.300×0.500 271.10 否 [8] 贴片 2.400 18.8 −10.6 60.000×13.000×0.750 - 否 平面倒F 2.400 29.2 −14.0 - 否 [23] 偶极子 0.915 163.0 −17.5 20.000×4.400×0.025 108.25 是 [24] 倒F型 0.433 - −32.3 30.000×30.000×1.270 - 否 [25] 环形 2.450 3.3 −21.0 25.000×18.000×5.000 - 否 [26] 平面倒F 0.433 31.8 −28.2 17.200×8.000×2.635 179.70 否 0.915 21.7 −24.5 160.70 偶极子 0.433 7.4 −19.1 42.000×10.000×2.635 48.68 否 0.915 11.5 −14.4 26.10 本文 偶极子 0.433 78.2 −30.0 10.000×10.000×0.350 60.53 是 2.450 34.2 −20.0 92.19
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1. 王蒙军，任国梁，刘旭冉，马晓宇，郑宏兴. 提高植入式电子设备无线充电效率的技术研究. 无线电工程. 2024(10): 2453-2461 . 
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