位于一块可弯曲的薄基片上的低比吸收率的宽带可植入天线外文翻译资料

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位于一块可弯曲的薄基片上的低比吸收率的宽带可植入天线

Chi-Lin Tsai, Kuan-Wei Chen, and Chin-Lung Yang, Member, IEEE

摘要——本文提出了一款位于一块可弯曲的薄基片上的低比吸收率的（SAR）宽带可植入天线。该天线构造被印刷在一块可弯曲的薄基片上，它适合于可植入的人体应用。一个Sigma;形的单极辐射体以及C形设计激发了基本的且相互联系的模式，这些模式均匀地影响着近场电场的分布从而实现低比吸收率。本文提出的天线是在一块可弯曲的基片上组装和测量的。相比使用最先进技术，拥有超过400 MHz带宽以及68%相对带宽的可植入天线的实现，最小尺寸（80 mm³）是用低剖面的可弯曲的基片实现的。当输入功率为1 W时，平均比吸收率的最大峰值大约为230 W/kg。该天线的最大输入功率大约为10 mW。

索引词——可弯曲的，可植入天线，低比吸收率（SAR），宽带。

Ⅰ. 介绍

可弯曲的电路板因为各式各样的电子系统产品而更受人欢迎；一块柔软的可弯曲的印刷电路板可以被折弯，天线组成部分的尺寸就能大大减小，并且天线的形状能适应各种不规则的空间。大量的研究研发了可弯曲的天线并且提出了它们在各类系统中的应用。一款天线的设计与一块可弯曲的基片相整合，以用于可弯曲的显示器面板[1]，且天线被设计成工作在2.45及7.5 GHz。在[2]中，所提出的贴片天线是与SU-8/聚二甲基硅氧烷（PDMS）整合在一起的。所提出的天线设计是为了射频系统封装应用而讨论和分析的。一个工作在2.45 GHz，使用人工磁导体制造的单极天线被提出并被使用在远程医疗应用上[3]。一个宽带单极天线被设计用于可穿戴应用[4]，工作在超宽带频带上，并且当天线以不同的角度弯曲时，天线的回波损耗与辐射方向图有着微小的变化。一种液态合金与可弯曲的基片相结合的天线设计被提出并实现[5]。用于日常商业系统的可弯曲天线设计的应用已经逐渐成为一种趋势。此外，可弯曲基片的弯曲特性使得天线更加适合用于不规则的可植入环境。

为了防止弯曲天线后谐振频率偏移，天线的阻抗带宽被设计为23%-50%。多种可植入天线被提出以实现较宽的带宽。目前，大多数可植入天线仍然使用坚固的板材[6]-[11]。在[6]中，可植入贴片天线采用了弯曲的辐射体设计或多个凹槽线，成功地在医疗设备无线电通信(MedRadio)服务频带中工作。其宽带宽为40%，尺寸成功缩小到180 mm³。在[7]-[9]中，一种基于平面倒F天线（PIFA）结构的可植入天线设计，具有易于阻抗匹配的特征，为了显示宽带特性而与多种模式结合提出。通常情况下，PIFA仍然是最流行的可植入天线类型之一，并且可以表现出52.6％的宽带宽。通过将开口端槽添加到接地面，产生了三个相近的谐振频率以增加带宽。它的尺寸被缩减到121 mm³。在[10]中，可植入裂缝天线设计与多个槽线集成在一起，从而有效地扩展当前路径。因此，实现了大约28%的带宽，天线的尺寸缩减至139 mm³。在[11]中，展示了一种不带覆板的单极天线设计，其带宽可达33.5%。在[12]-[14]中，可植入天线设计在柔性基片上，可在医用植入体通信服务频段内工作，且植入环境位于猪肉和模拟生物液体中。在[14]中，提出了一种位于柔性基片上的2.45 GHz的可植入天线设计，用以模拟生物组织。本文提出了一种应对不规则可植入环境的基于可弯曲薄基片上的印刷宽带可植入天线设计。此外，可弯曲的特性可以防止天线因组织或肌肉的运动而被损坏。提出了一种使用C形耦合接地设计的单极天线辐射器。天线结构使用低剖面的单层基片和覆板构成，使得可植入平面倒F天线设计简化，并且大约68%的最大阻抗带宽得以实现。

Ⅱ. 天线结构

图1（a）展示了所提出的天线的主要结构和参数。该可植入天线的尺寸为20 times; 20 times; 0.2 = 80 mm³（0.0267lambda;₀ times; 0.0267lambda;₀ times; 0.00027lambda;₀）。基片和覆板的可弯曲材料为AP9121R（ε_r = 3.4，损耗因子tandelta; = 0.002，厚度为0.1 mm）。主要结构由两部分组成：Sigma;形的单极辐射体和C形接地面。共面波导馈线被用来实现50 Omega;阻抗匹配。Sigma;形单极辐射体的弯曲设计增加了小天线的输入电阻，达到了约600 MHz的基本模式。对接地部分的设计，C形接地面被延长从而与单极辐射体的一端耦合。这种附加的耦合使得天线的大约400 MHz的较低模式成为可能[15]。图1（b）展示了在生物医学环境中所提出天线的侧视图。该天线的主要结构包含一块单层的基片和一块覆板。图1（c）和（d）根据半径为R的曲线弧展示了弯曲天线的侧视图以及在ANSYS高频结构模拟器(HFSS)全波模拟器中的可弯曲天线。可弯曲天线的材料以及制造过程将在第Ⅲ部分详细描述。

图1 所提出天线的结构。（a）正视图。（b）侧视图。（c）弯曲（侧视图）。（d）弯曲。

Ⅲ. 天线设计

所提出的可弯曲植入式天线使用辐射体和它的地来构成两个主要的耦合结构从而实现较宽的带宽。第一种共振模式是由辐射体和C形的接地面之间的耦合产生的，第二种模式是通过馈电段与接地面之间的耦合生成从而实现阻抗匹配的调整。图2展示了当柔性可植入天线以曲率半径R弯曲时弯曲天线的模拟电场，它的设置已在图1（c）和（d）中说明了。图2（a）和（b）分别展示了R = 100 mm和15 mm的情况。当曲率半径R减小，基片明显弯曲时，天线辐射体和接地面的电场分布发生明显变化。当R = 100mm时的原始电场均匀地分布在辐射体和C形接地面的开口端之间。当R = 15 mm时，辐射体引起了一个弱电场，导致共振模式的退化。

天线的效率是天线设计中需要考虑的问题之一。总的来说，总损耗功率由不匹配引起的反射功率、电介质损耗和金属损耗引起的耗散功率和表面波功率组成。实际上，所提出的天线实现了输入阻抗匹配，从而呈现出小于2的电压驻波比。基片和覆板的厚度远小于自由空间中的0.01lambda;，且表面波的激发过程通常不重要。图3显示了HFSS中铜的表面损耗密度以及基片和覆板的体积损耗密度。在图3中，从0.05至0.3 mm的不同基片厚度下的模拟表

图2 在不同的曲率半径和400 MHz的情形下所提出的柔性天线的模拟电场。（a）R = 100 mm。（b）R = 15 mm。

图3 所提出的柔性可植入天线的模拟表面损耗密度和体积损耗密度

面损耗密度维持在大约1times;10⁴。然而，随着基片厚度的减小，体积损耗密度增大了。由于近场电场极大地影响着不同基片厚度下的体积损失密度，所以辐射效率降低。此外，厚度影响着天线的比吸收率（SAR）值，这将在下面的部分中讨论。

无线遥测系统的最大输入功率应当遵循IEEE C95.1-1999标准，即出于安全考虑，对于大于1 g的组织的平均比吸收率（SAR）应当小于1.6 W/kg。被人体吸收的功率用以下公式定义：

(1)

电场可以通过磁矢势计算，使用包括两项的电流分布：1）k²极大地影响着远场电场；以及2）极大地影响着近场电场。

图4 基于光刻胶AZ4620的高分辨率制作。（a）基片清洗。（b）旋涂AZ4620与紫外线曝光。（c）AZ 400K显影与PR硬烘烤。（d）铜蚀刻剂处理。（e）柔性天线。

图5 测量设置（a）生物医学环境，（b）所提出的柔性天线，（c）浸没在模拟凝胶中的天线。

表Ⅰ

在400 MHz下当介电常数 = 58.0且电导率 = 0.8 s/m时的肌肉等价物的配方

近场电场和比吸收率（SAR）有关。由于第二项具有双导数（散度的梯度）引起的磁矢势的斜率不连续，所以可以增加比吸收率（SAR）[15]。电流分布（J）的空间变化，诱发了磁矢势（A），这意味着电流形成的均匀性可以降低比吸收率（SAR）。这种简化的直观的概念提供了设计了一种低比吸收率天线的原理。

Ⅳ. 可弯曲基片的制造过程

可弯曲基片AP 9121R是用杜邦Pyralux制造的。杜邦Pyralux AP柔性电路材料是一种双面覆铜板，以及聚酰亚胺薄膜与铜箔结合的全聚酰亚胺复合材料。该材料系统适用于多层弯曲和刚性弯曲的应用，要求材料性能先进、耐高温、可靠性高。提供全系列的电介质厚度，杜邦Pyralux AP柔性电路材料为设计人员、制造者和装配人员提供了多种柔性电路结构的选择。

图6 所提出的柔性可植入天线的性能

图7 所提出的可植入天线的模拟比吸收率（SAR）和电场幅度（Mag E）

图8 所提出的柔性可植入天线的模拟2-D图。（a）400 MHz的xz面。（b）400 MHz的yz面。

表Ⅱ

柔性天线的性能对比

AP 9121R是一种表面没有光刻胶的柔性材料，有些柔性材料可能也有类似的情况。此外，研磨和商业光刻胶难

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