用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，由介质基板、印制在介质基板正面上的石墨烯弯折枝节形辐射贴片、印制在介质基板背面的石墨烯H形缝隙接地板、外接的同轴接头和介质基板内部的短路探针构成。石墨烯弯折枝节形辐射贴片通过内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率。在石墨烯H形缝隙接地板中间开一个H形缝隙，合理调整H形缝隙的尺寸，能够增加天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽。该天线尺寸仅为9×9mm，具有双频、宽带、小型化等特点，适用于康复护理装置的ISM918MHz无线能量传输频段和WMTS1.43GHz遥控遥测频段。

主设计要求

1.用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯H形缝隙接地板(3)、外接的同轴接头(4)和介质基板(1)内部的短路探针(5)构成；所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)和石墨烯H形缝隙接地板(3)的材质均为石墨烯；其特征在于：a.所述的介质基板(1)四个角上由四分之一圆弧过渡连接；b.所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)关于中轴线对称，石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)由内部枝节(2-1)和外部枝节(2-2)组成，通过内外枝节形成弯折路径，在外部枝节(2-2)上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节(2-2)下端增加T形枝节；c.所述的石墨烯H形缝隙接地板(3)位于介质基板(1)背面，在石墨烯H形缝隙接地板(3)中间开一个H形缝隙，H形缝隙矩形之间通过两个对称的梯形过渡连接；d.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面下侧，同轴接头(4)内芯与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接；e.所述的短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)将石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接。

设计方案

a.所述的介质基板(1)四个角上由四分之一圆弧过渡连接；

b.所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)关于中轴线对称，石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)由内部枝节(2-1)和外部枝节(2-2)组成，通过内外枝节形成弯折路径，在外部枝节(2-2)上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节(2-2)下端增加T形枝节；

c.所述的石墨烯H形缝隙接地板(3)位于介质基板(1)背面，在石墨烯H形缝隙接地板(3)中间开一个H形缝隙，H形缝隙矩形之间通过两个对称的梯形过渡连接；

d.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面下侧，同轴接头(4)内芯与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接；

e.所述的短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)将石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，其特征在于所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，介质基板(1)四个角上由四分之一过渡圆弧半径R_{1<\/sub>为0.5mm～0.8mm。}

3.根据权利要求1所述的用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，其特征在于所述的双频植入式天线外表面镀一层生物相容材料派瑞林C型，厚度为0.02mm，介电常数ε_{r<\/sub>为2.95，损耗正切tanδ为0.013。}

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及康复护理装置植入式天线技术领域，具体涉及用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，适用于ISM 918MHz无线能量传输频段和WMTS1.43GHz遥控遥测频段的双频植入式无线康复护理装置。

背景技术

随着电子产业和无线生物医疗技术的飞速发展，植入式康复护理装置广泛应用于生理参数监控和疾病治疗，为患者的康复过程提供诸多便利，这就要求植入式天线具有多频特性，能同时具备参数监控、遥控遥测和无线能量传输等功能。较小的天线尺寸能够增加植入后的舒适度，同时能够增强植入式天线对植入位置的感知度，提升数据通信效率和质量。无线能量传输能够增加植入式无线生物医疗装置的使用时间和寿命，使植入式无线生物医疗装置能够长时间稳定的工作，主要应用于人工耳蜗、神经肌电刺激器、脑深电刺激器和心脏起搏器等。数据遥控遥测是利用植入式康复护理装置监测血糖、体温、血压、酸碱度和神经活动等情况。电磁波在人体内向外传播会同人体组织发生强耦合，这将会影响到体外接收终端接收信号的精确度，因此，研究高精度的植入式康复护理装置是当前研究的重点和难点，如何缩小天线体积并具有多频段特性、如何为植入式康复护理装置提供能量、如何提高植入式康复护理装置在人体组织内通信效率和精度，都是目前亟待解决的问题。植入式天线是保证植入式康复护理装置与体外接收设备有效通信，并且使植入式康复护理装置获得能量的核心器件。人体组织形态各异导致电磁特性不尽相同，植入式天线的工作性能会因体内含水量、温度和频率特性的变化而变化，天线的植入位置也会因人体运动而发生改变，这些因素形成了植入式康复护理装置错综复杂的工作条件，因此，设计植入式天线时还需考虑低功率、生物兼容性和小型化等安全因素。生物兼容性的解决方案主要包括介质覆盖和镀膜处理两种方式，介质覆盖是在金属辐射单元上覆盖一层介质基板，介质基板的材料需要具有绝缘特性；镀膜处理是在植入式天线表面镀一层低损耗的生物兼容材料，将植入式天线与人体组织隔离，镀膜材料主要包括聚醚醚酮、氧化锆、氧化铝等，在天线设计中，镀膜厚度是影响天线性能的关键因素。植入式天线小型化的方法主要包括采用高介电常数介质基板、金属辐射贴片表面开槽、增加短路探针、贴片堆叠等。金属辐射贴片表面开槽主要是将辐射贴片开不同形状的槽，使电流绕槽曲折流动而增加辐射贴片表面电流路径，从而降低天线的谐振频率。非专利文献1：公开了一种三频段植入式天线，天线采用倒F结构，辐射贴片通过开槽形成蜿蜒结构，增加了有效电流路径，辐射贴片与地板通过短路探针相连，降低天线谐振频率，该植入式天线具有三频段特性，但整体尺寸较大。增加短路探针是在辐射贴片和地板之间增加短路探针，从而增加耦合电容降低天线的谐振频率。贴片堆叠是通过堆叠式结构延长天线有效电流路径，缩小天线的尺寸。非专利文献2：公开了一种新型的堆叠式平面倒F天线，由两层辐射贴片和金属地板共三层组成，上层和中层辐射贴片采用螺旋辐射结构，采用短路探针连接中层辐射贴片和地板，进一步缩小天线的尺寸，但由于是三层结构，导致天线的体积较大。石墨烯纳米材料具有超强的导电性、导热性、透明性及结构坚硬，是当前可制备的最薄材料，在生物医疗、电子通信、航空航天、新能源等多个领域有良好的应用前景。石墨烯材料的导电性能是普通材料的50倍，石墨烯具有的蜂窝结构能够产生较高的载流子密度，使其导电性能优良，在印刷天线中使用石墨烯材料能够大大提升天线效能，实现高效动态调节、高透明度、提升传输效率并降低损耗，满足植入式无线通信系统对天线的微型化需求，同时也能大大增加通信距离。国内外学者对石墨烯材料在天线领域的研究主要集中在太赫兹天线、方向图可重构天线、滤波天线、柔性天线、可穿戴天线，对石墨烯在植入式天线的研究相对较少。

引用文献列表

非专利文献1：李明玖，应用于移动医疗的三频段植入式天线研究，西南交通大学硕士学位论文，2017:18-24.

非专利文献2：吴泽涛，用于移动医疗的植入式人体天线研究，华南理工大学硕士学位论文，2016:30-40.

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，该天线具有频带宽、双频段、体积小等特性，易于集成到植入式生物医疗装置中，适用于ISM918MHz无线能量传输频段和WMTS1.43GHz遥控遥测频段，能满足植入复杂环境后的要求。

本实用新型的技术方案是：用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯H形缝隙接地板(3)、外接的同轴接头(4)和介质基板(1)内部的短路探针(5)构成；所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)和石墨烯H形缝隙接地板(3)的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗；其特征在于：

a.所述的介质基板(1)四个角上由四分之一圆弧过渡连接，降低天线植入后的不适感；

b.所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)关于中轴线对称，石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)由内部枝节(2-1)和外部枝节(2-2)组成，通过内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率，在外部枝节(2-2)上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节(2-2)下端增加T形枝节，能够调节天线的阻抗匹配；

c.所述的石墨烯H形缝隙接地板(3)位于介质基板(1)背面，在石墨烯H形缝隙接地板(3)中间开一个H形缝隙，H形缝隙矩形之间通过两个对称的梯形过渡连接，合理调整H形缝隙的尺寸，能够调节石墨烯H形缝隙接地板(3)与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)之间的耦合能量，增加植入式天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽；

e.所述的短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)将石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接，通过增加短路探针(5)增加耦合电容降低天线的谐振频率，展宽工作带宽，同时进一步缩小植入式天线的尺寸。

所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，介质基板(1)四个角上由四分之一过渡圆弧半径R_{1<\/sub>为0.5mm～0.8mm。}

所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的内部枝节(2-1)的尺寸L_{3<\/sub>为0.5mm～0.9mm、L_{4<\/sub>为0.1mm～0.5mm、L_{6<\/sub>为1.2mm～1.6mm、L_{7<\/sub>为1mm～1.4mm、L_{8<\/sub>为1mm～1.3mm、L_{9<\/sub>为1.8mm～2.2mm、L_{10<\/sub>为1mm～1.4mm、L_{11<\/sub>为0.2mm～0.6mm、L_{12<\/sub>为0.9mm～1.3mm、L_{14<\/sub>为0.3mm～0.7mm、L_{15<\/sub>为0.2mm～0.6mm、L_{16<\/sub>为1mm～1.4mm、L_{17<\/sub>为1mm～1.3mm、L_{18<\/sub>为0.2mm～0.6mm、L_{19<\/sub>为0.9mm～1.2mm、L_{20<\/sub>为0.9mm～1.3mm、W_{3<\/sub>为1.5mm～1.9mm、W_{4<\/sub>为0.9mm～1.2mm、W_{5<\/sub>为1.6mm～2mm、W_{6<\/sub>为0.2mm～0.5mm、W_{7<\/sub>为3.3mm～3.7mm、W_{8<\/sub>为0.3mm～0.7mm、W_{9<\/sub>为0.6mm～1mm、W_{10<\/sub>为2.4mm～2.8mm、W_{11<\/sub>为2mm～2.4mm、W_{12<\/sub>为1mm～1.4mm、W_{13<\/sub>为1mm～1.4mm、W_{14<\/sub>为2mm～2.4mm、W_{15<\/sub>为0.6mm～1mm、W_{16<\/sub>为2.4mm～2.8mm，W_{17<\/sub>为3.3mm～3.7mm、石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)的尺寸L_{1<\/sub>为0.6mm～1mm、L_{13<\/sub>为7.3mm～7.7mm、L_{23<\/sub>为0.5mm～0.9mm、W_{20<\/sub>为4mm～4.4mm、W_{21<\/sub>为0.15mm～0.35mm，外部枝节(2-2)下端的T形枝节尺寸L_{2<\/sub>为0.1mm～0.5mm、L_{5<\/sub>为0.2mm～0.5mm、W_{1<\/sub>为0.6mm～1mm、W_{2<\/sub>为3mm～3.4mm，外部枝节(2-2)上端的两个关于中轴线对称的L形枝节尺寸L_{21<\/sub>为0.2mm～0.6mm、L_{22<\/sub>为1.2mm～1.6mm、W_{18<\/sub>为2.7mm～3.1mm、W_{19<\/sub>为0.15mm～0.5mm。}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

所述的石墨烯H形缝隙接地板(3)中间的H形缝隙左右两个矩形的长L_{27<\/sub>为2.8mm～3.2mm，宽W_{24<\/sub>为0.5mm～0.9mm，中间矩形的长L_{25<\/sub>为0.3mm～0.7mm，宽W_{23<\/sub>为1.4mm～1.8mm，两个对称的梯形的上底L_{25<\/sub>与中间矩形的长保持一致，下底L_{26<\/sub>为1.5mm～1.9mm，高W_{25<\/sub>为0.4mm～0.8mm。}}}}}}}

所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面下侧，同轴接头(4)的馈电中心O_{1<\/sub>与介质基板(1)中心轴的距离W_{22<\/sub>为0.9mm～1.3mm，同轴接头(4)的馈电中心O_{1<\/sub>距介质基板(1)下端的距离L_{24<\/sub>为1.9mm～2.3mm。}}}}

所述的短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)中心O_{2<\/sub>与介质基板(1)中心轴的距离W_{26<\/sub>为2.6mm～3mm，短路探针(5)中心O_{2<\/sub>距介质基板(1)上端的距离L_{28<\/sub>为0.2mm～0.6mm。}}}}

所述的双频植入式天线外表面镀一层生物相容材料派瑞林C型，厚度为0.02mm，介电常数ε_{r<\/sub>为2.95，损耗正切tanδ为0.013，实现植入式康复护理装置与人体的生物相容性，防止植入式康复护理装置与人体组织直接接触而导致腐蚀、短路和排异等问题。}

本实用新型的效果在于：本实用新型设计了一种用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，石墨烯弯折枝节形辐射贴片和石墨烯H形缝隙接地板的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗。双频植入式天线四个角上由四分之一圆弧过渡连接，降低天线植入后的不适感。石墨烯弯折枝节形辐射贴片通过内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率，在外部枝节上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节下端增加T形枝节，能够调节天线的阻抗匹配。在石墨烯H形缝隙接地板中间开一个H形缝隙，合理调整H形缝隙的尺寸，能够调节石墨烯H形缝隙接地板与石墨烯弯折枝节形辐射贴片之间的耦合能量，增加植入式天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽；通过增加短路探针增加耦合电容降低天线的谐振频率，展宽工作带宽，同时进一步缩小植入式天线的尺寸。该双频植入式天线为平面结构，天线的尺寸仅为9×9mm，具有双频、宽带、小型化等特点，适用于ISM 918MHz无线能量传输频段和WMTS1.43GHz遥控遥测频段，既能对康复护理装置进行无线能量传输，又能对康复护理装置进行遥控遥测。

附图说明

图1是本实用新型实施例的正面结构示意图。

图2是本实用新型实施例的背面结构示意图。

图3是本实用新型实施例的侧面结构示意图。

图4是本实用新型实施例石墨烯弯折枝节形辐射贴片枝节宽度W_{6<\/sub>对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响。}}

图5是本实用新型实施例短路探针中心O_{2<\/sub>与介质基板中心轴的距离W_{26<\/sub>对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响。}}}

图6本实用新型实施例H形缝隙接地板H形缝隙左右两个矩形的长L_{27<\/sub>、中间矩形的宽W_{23<\/sub>对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响。}}}

图7是本实用新型实施例表面镀不同人体相容薄膜对天线性能的影响。

图8是本实用新型实施例石墨烯材料厚度T对天线性能的影响。

图9是本实用新型实施例植入环境、位置示意图。

图10是本实用新型实施例植入深度对天线阻抗带宽的影响。

图11是本实用新型实施例仿真与实测阻抗带宽曲线。

图12是本实用新型实施例在频率为923MHz时的E面和H面辐射方向图。

图13是本实用新型实施例在频率为1.47GHz时的E面和H面辐射方向图。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯H形缝隙接地板(3)、外接的同轴接头(4)和介质基板(1)内部的短路探针(5)构成；所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)和石墨烯H形缝隙接地板(3)的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗；其特征在于：所述的介质基板(1)四个角上由四分之一圆弧过渡连接，降低天线植入后的不适感；所述的石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)关于中轴线对称，石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)由内部枝节(2-1)和外部枝节(2-2)组成，通过内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率，在外部枝节(2-2)上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节(2-2)下端增加T形枝节，能够调节天线的阻抗匹配；所述的石墨烯H形缝隙接地板(3)位于介质基板(1)背面，在石墨烯H形缝隙接地板(3)中间开一个H形缝隙，H形缝隙矩形之间通过两个对称的梯形过渡连接，合理调整H形缝隙的尺寸，能够调节石墨烯H形缝隙接地板(3)与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)之间的耦合能量，增加植入式天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽；所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面下侧，同轴接头(4)内芯与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接；所述的短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)将石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)与石墨烯H形缝隙接地板(3)相连接，通过增加短路探针(5)增加耦合电容降低天线的谐振频率，展宽工作带宽，同时进一步缩小植入式天线的尺寸。

所述的石墨烯材料厚度为0.02mm～0.04mm，介质基板(1)四个角上由四分之一过渡圆弧半径R_{1<\/sub>为0.5mm～0.8mm。}

实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择Rogers RO3210介质基板，介电常数ε _{r<\/sub>＝10.2，损耗正切tanδ＝0.003，厚度H＝0.635mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板长L＝9mm、宽W＝9mm。石墨烯弯折枝节形辐射贴片和石墨烯H形缝隙接地板的材质均为石墨烯，石墨烯材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加植入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗。石墨烯材料厚度为0.03mm，介质基板(1)四个角上由四分之一过渡圆弧半径R_{1<\/sub>为0.6mm。双频植入式天线四个角上由四分之一圆弧过渡连接，降低天线植入后的不适感。通过内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率。石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的内部枝节(2-1)的尺寸L_{3<\/sub>为0.7mm、L_{4<\/sub>为0.3mm、L_{6<\/sub>为1.45mm、L_{7<\/sub>为1.2mm、L_{8<\/sub>为1.15mm、L_{9<\/sub>为2mm、L_{10<\/sub>为1.2mm、L_{11<\/sub>为0.4mm、L_{12<\/sub>为1.1mm、L_{14<\/sub>为0.5mm、L_{15<\/sub>为0.4mm、L_{16<\/sub>为1.2mm、L_{17<\/sub>为1.15mm、L_{18<\/sub>为0.4mm、L_{19<\/sub>为1.1mm、L_{20<\/sub>为1.1mm、W_{3<\/sub>为1.7mm、W_{4<\/sub>为1.05mm、W_{5<\/sub>为1.85mm、W_{6<\/sub>为0.35mm、W_{7<\/sub>为3.5mm、W_{8<\/sub>为0.5mm、W_{9<\/sub>为0.8mm、W_{10<\/sub>为2.65mm、W_{11<\/sub>为2.2mm、W_{12<\/sub>为1.15mm、W_{13<\/sub>为1.15mm、W_{14<\/sub>为2.2mm、W_{15<\/sub>为0.8mm、W_{16<\/sub>为2.65mm，W_{17<\/sub>为3.5mm、石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)的外部枝节(2-2)的尺寸L_{1<\/sub>为0.8mm、L_{13<\/sub>为7.5mm、L_{23<\/sub>为0.7mm、W_{20<\/sub>为4.2mm、W_{21<\/sub>为0.25mm，外部枝节(2-2)下端的T形枝节尺寸L_{2<\/sub>为0.3mm、L_{5<\/sub>为0.35mm、W_{1<\/sub>为0.8mm、W_{2<\/sub>为3.2mm，外部枝节(2-2)上端的两个关于中轴线对称的L形枝节尺寸L_{21<\/sub>为0.4mm、L_{22<\/sub>为1.45mm、W_{18<\/sub>为2.9mm、W_{19<\/sub>为0.35mm。在外部枝节上端增加两个关于中轴线对称的L形枝节，在外部枝节下端增加T形枝节，能够调节天线的阻抗匹配。石墨烯H形缝隙接地板(3)中间的H形缝隙左右两个矩形的长L_{27<\/sub>为3mm，宽W_{24<\/sub>为0.7mm，中间矩形的长L_{25<\/sub>为0.5mm，宽W_{23<\/sub>为1.6mm，两个对称的梯形的上底L_{25<\/sub>与中间矩形的长保持一致，下底L_{26<\/sub>为1.7mm，高W_{25<\/sub>为0.6mm。合理调整H形缝隙的尺寸，能够调节石墨烯H形缝隙接地板(3)与石墨烯弯折枝节形辐射贴片(2)之间的耦合能量，增加植入式天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽。同轴接头(4)位于介质基板(1)背面下侧，同轴接头(4)的馈电中心O_{1<\/sub>与介质基板(1)中心轴的距离W_{22<\/sub>为1.02mm，同轴接头(4)的馈电中心O_{1<\/sub>距介质基板(1)下端的距离L_{24<\/sub>为2.1mm。短路探针(5)位于介质基板(1)的上侧内部，短路探针(5)中心O_{2<\/sub>与介质基板(1)中心轴的距离W_{26<\/sub>为2.8mm，短路探针(5)中心O_{2<\/sub>距介质基板(1)上端的距离L_{28<\/sub>为0.4mm。通过增加短路探针增加耦合电容降低天线的谐振频率，展宽工作带宽，同时进一步缩小植入式天线的尺寸。双频植入式天线外表面镀一层生物相容材料派瑞林C型，厚度为0.02mm，介电常数ε_{r<\/sub>为2.95，损耗正切tanδ为0.013，实现植入式康复护理装置与人体的生物相容性，防止植入式康复护理装置与人体组织直接接触而导致腐蚀、短路和排异等问题。}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

选取石墨烯弯折枝节形辐射贴片枝节宽度W_{6<\/sub>分析对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响，如图4所示，分别选取W_{6<\/sub>＝0.2mm、W_{6<\/sub>＝0.35mm、W_{6<\/sub>＝0.4mm这三种情况对天线性能进行分析，从图4中可以看出，弯折枝节形辐射贴片枝节宽度对天线的谐振频率和阻抗带宽影响较大，随着弯折枝节形辐射贴片枝节宽度的增加，天线在ISM频段和WMTS频段的谐振频率向低频方向偏移，ISM频段工作带宽有所增加，WMTS频段的工作带宽变化不大，原因是内外枝节形成弯折路径，在有限的面积上增加植入式天线表面有效电流路径，从而降低植入式天线的谐振频率，同时也增加了ISM频段工作带宽。当W_{6<\/sub>＝0.35mm时，植入式天线的阻抗带宽覆盖了所需的ISM918MHz和WMTS1.43GHz频段。}}}}}}

选取短路探针中心O_{2<\/sub>与介质基板中心轴的距离W_{26<\/sub>分析对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响，如图5所示，分别选取W_{26<\/sub>＝2.6mm、W_{26<\/sub>＝2.8mm、W_{26<\/sub>＝3mm这三种情况对天线性能进行分析，从图5中可以看出，随着短路探针中心O_{2<\/sub>与介质基板中心轴的距离的增加，ISM频段谐振点和谐振程度变化较小，WMTS频段谐振频率向高频方向发生移动，谐振程度也有一定程度增加。原因是通过增加短路探针增加耦合电容降低天线的谐振频率，展宽工作带宽，同时进一步缩小植入式天线的尺寸。当W_{26<\/sub>＝2.8mm时，植入式天线的阻抗带宽覆盖了所需的ISM 918MHz和WMTS1.43GHz频段。}}}}}}}}

由于H形缝隙接地板H形缝隙左右两个矩形的长L_{27<\/sub>、中间矩形的宽W_{23<\/sub>对H形缝隙的尺寸影响较大，选取H形缝隙接地板H形缝隙左右两个矩形的长L_{27<\/sub>、中间矩形的宽W_{23<\/sub>分析对天线反射系数S_{11<\/sub>的影响，如图6所示，分别选取L_{27<\/sub>＝2.8mm、W_{23<\/sub>＝1.4mm、L_{27<\/sub>＝3mm、W_{23<\/sub>＝1.6mm、L_{27<\/sub>＝3.2mm、W_{23<\/sub>＝1.8mm这三种情况对天线性能进行分析，从图6中可以看出，随着H形缝隙尺寸的增加，ISM频段谐振频率向高频方向发生移动，谐振程度也逐渐增加，ISM段工作带宽有所增加，WMTS频段谐振频率向低频发生移动，谐振程度变化较小，WMTS频段工作带宽变化较小。原因是在地板上增加H形缝隙，通过调节H形缝隙与石墨烯弯折枝节形辐射贴片之间的耦合能量，增加植入式天线的谐振点，并展宽天线的阻抗带宽。当L_{27<\/sub>＝3mm、W_{23<\/sub>＝1.6mm时，植入式天线的阻抗带宽覆盖了所需的ISM 918MHz和WMTS1.43GHz频段。}}}}}}}}}}}}}

选取派瑞林C型(介电常数ε_{r<\/sub>为2.95，损耗正切tanδ为0.013)、聚醚醚酮(介电常数ε_{r<\/sub>为3.2，损耗正切tanδ为0.01)、氧化铝(介电常数ε_{r<\/sub>为9.2，损耗正切tanδ为0.008)三种人体相容材料镀膜对天线性能进行分析，镀膜厚度均为0.02mm，植入式天线表面镀不同人体相容薄膜对天线性能的影响如图7所示，从图中可以看出，随着人体相容薄膜介电常数的增加，天线ISM频段与WMTS频段谐振频率向低频方向发生偏移，ISM频段谐振程度有所减弱，WMTS频段谐振程度变化较小。因此，选取派瑞林C型人体相容镀膜材料，植入式天线各频段性能最佳，因此选择派瑞林C型镀膜能够满足植入式天线设计要求。}}}

选取石墨烯材料厚度T为0.02mm、0.03mm、0.04mm，分析石墨烯材料厚度对天线性能的影响如图8所示，从图中可以看出，随着石墨烯材料厚度的增加，天线ISM频段和WMTS频段谐振频率没有明显变化，谐振程度逐渐增加，阻抗匹配特性逐渐得到改善，ISM频段中心频点的最小反射系数分别为-21dB、-29dB、-35dB，WMTS频段中心频点的最小反射系数分别为-32dB、-37dB、-48dB。原因是随着石墨烯材料厚度增加，石墨烯材料的导电性能逐渐增强，石墨烯材料的损耗减小，使植入式天线的阻抗匹配性能得到改善。选取石墨烯材料厚度T为0.03mm时，植入式天线的性能满足各频段的设计需求。

植入式康复护理装置的应用，决定了植入式天线将被植入到不同的人体组织环境中，为分析植入式天线的植入位置和环境对天线阻抗带宽的影响，将设计的天线植入到不同人体组织层中，如图9所示，分别将天线植入到皮肤层、脂肪层和肌肉层中进行对比和测试，植入深度对天线阻抗带宽的影响如图10所示，植入式天线在不同人体组织环境中其ISM频段和WMTS频段的中心谐振频率都发生了明显的偏移，原因是人体组织环境是非均匀的，不同组织层的电磁参数和组织含量都不同。由于植入式天线在两个频段的工作带宽都比较宽，偏移后工作带宽仍然能够覆盖ISM和WMTS两个频段，说明该天线能够满足不同植入组织环境的工作需求。

将植入式天线植入到模拟人体组织环境中，使用矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽，阻抗带宽仿真结果与测试结果如图11所示，植入式天线的仿真阻抗带宽ISM频段为8.23MHz～9.86MHz，谐振频率为918MHz，WMTS频段为1.35GHz～1.51GHz，谐振频率为1.43GHz，实测阻抗带宽ISM频段为8.32MHz～10.13MHz，谐振频率为923MHz，WMTS频段为1.38GHz～1.56GHz，谐振频率为1.47GHz，实测与仿真结果一致性良好，植入式天线两个频段内工作带宽较宽，工作频带内阻抗特性良好，两个频段的实测阻抗带宽都略大于仿真结果。实测ISM频段和WMTS频段的中心谐振频率向高频方向发生微小偏移，导致频率偏移的原因是模拟人体组织环境与实际人体组织环境之间电参数存在差异、天线表面镀膜处理以及天线加工测试误差，对实测结果存在一定影响。

对植入式天线在923MHz、1.47GHz频率点处的E面和H面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图12、图13所示。从图中可以看出，植入式天线在923MHz、1.47GHz处的远场增益分别为-33dB和-28dB，辐射特性良好，在实现天线的小型化与多频段的同时，远场增益达到了工作需求。

通过设置植入式天线输入功率为1W，对人体平均SAR值分布进行分析，经仿真计算，植入式天线在923MHz、1.47GHz处的10g人体组织平均SAR最大值分别为26.7W\/Kg、31.2W\/Kg，经计算可以得出，植入式天线最大允许输入功率为5.23mW、4.87mW，符合FCC及IEEE对SAR值的安全标准，植入式天线正常工作下的电磁辐射对人体组织是安全无害的。

设计图

用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线论文和设计

用于康复护理装置的基于石墨烯的双频植入式天线论文和设计

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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