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《华南理工大学》 2017年
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生物医学遥测圆极化天线研究

李兵  
【摘要】:生物医学遥测技术的发展可缓解医疗资源紧张,并能为患者提供舒适的治疗服务。植入式医疗设备在生物医学遥测中起着重要作用,可以精确采集人体内部的生理数据,为医务人员在疾病预防、病情监测和实时治疗等方面提供帮助。天线可用于体内外医疗设备之间进行无线通信,它的设计需考虑在人体运动、复杂环境等条件下如何建立可靠的通信链接。圆极化天线可以避免传统线极化天线因对准角度变化而产生的极化失配,且能抑制背景多径散射造成的干扰。本论文是由国家自然科学基金(No.61372008)、广东省科技计划(No.2014A010103014,No.2015B010101006)等项目资助,致力于生物医学遥测圆极化天线研究,主要工作内容如下:(1)工作于2.45-GHz ISM频段的地板开槽的差分馈电植入式圆极化天线:天线采用高介电常数介质基板、辐射贴片及地板开槽实现小型化,天线的尺寸为9.8 mm×9.8mm×1.27 mm。馈电结构采用差分馈电以提高系统集成度并降低功耗,差分馈电端口在方形贴片对角线上激励起TM01和TM10两种辐射模式,引入几何微扰调节天线圆极化。阻抗带宽为2.37–2.49 GHz(4.9%)和3-dB轴比带宽为2.37–2.50 GHz(5.3%),覆盖了整个2.45-GHz ISM频段,在CST中仿真可知,实现小型化的同时保持–20.7 dBi的增益。最后,在高精度人体模型验证天线性能并分析天线远场增益和与人体安全相关的比吸收率(SAR)值。(2)用于胶囊内窥镜系统的差分圆极化天线:天线采用差分馈电结构以便于与胶囊内集成电路连接。天线的尺寸为7.5 mm×7.5 mm×1.27 mm。通过引入几何微扰实现天线圆极化特性,天线阻抗带宽2.37–2.48 GHz(4.5%)和3-dB轴比带宽为2.40–2.55 GHz(6.1%)。文中分析了天线的小型化和圆极化工作原理,此外研究关键参数对天线性能的影响。对实测所用猪胃的相对介电常数和电导率进行了测量,分析与人体之间电特性参数的差异,表明了用猪胃进行体外测试(in-vitro test)的可行性。最后对天线实物进行了制作,测量与仿真结果基本吻合,验证了理论设计的准确性。(3)体外全向圆极化平面接收天线:由于植入式天线与体外接收天线的相对朝向易发生改变,设计了一款体外全向圆极化接收天线。天线通过顶端加载的单极子在方位角平面产生全向垂直极化电磁波,弯折L形振子产生全向水平极化电磁波,调节和优化后在方位角平面实现全向圆极化。天线阻抗带宽为2.395–2.505 GHz(4.9%),3-d B轴比带宽为2.325–2.570 GHz(10%),方位角平面上最大增益1.5 dBi,全向性性能较好,不圆度小于0.6 dB。分析了收发天线系统的通信链路运算,评估植入式天线与体外全向圆极化天线间的通信性能。本文所研究的植入式圆极化天线需具有小型化、低功耗、生物相容性以及较强的抗干扰能力;所研究的体外接收圆极化天线具有宽频带、小型化、抗干扰及全向性等性能。最终,通过本工作所取得的研究成果,能为生物医学遥测系统的天线设计提供参考。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318

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