基于多模谐振的宽频带小型化天线研究

本书是基于作者近年来对基于多模谐振的宽频带小型化天线需求展开研究植入式天线深入研究及吸收国内外相关研究成果的基础上撰写的，同时吸收了国内外相关研究成果。本书以无线医疗设备为应用背景，系统介绍天线和植入式天线的相关知识，并结合无线医疗设备对植入式天线小型化、宽频带等多种性能需求，以进一步减小天线尺寸、提高天线稳定性以及实现天线高速数据传输为目的，对双频段植入式天线、胶囊天线及用于高速数据传输的UWB胶囊天线的小型化宽频带等进行设计、仿真及评估测试，对更好地开发基于多模谐振的宽频带小型化天线具有较好的指导和帮助作用。
本书可供物理、材料、电子、通信工程及生物医学等领域的研究人员和技术人员阅读参考，也可供大专院校相关专业师生参考。

本书是基于作者近年来对植入式天线深入研究及吸收国内外相关研究成果的基础上撰写而成。本书以无线医疗设备为应用背景，系统介绍天线和植入式天线的相关知识，并结合无线医疗设备对植入式天线小型化、宽频带等多种性能需求，以进一步减小天线尺寸、提高天线稳定性以及实现天线高速数据传输为目的，对双频段植入式天线、胶囊天线及用于高速数据传输的UWB胶囊天线的小型化宽频带等进行设计、仿真及评估测试，对更好地开发基于多模谐振的宽频带小型化天线具有较好的指导和帮助作用。

植入式无线医疗设备是生物医学领域发展史上一种新的诊疗模式，它伴随着微电子技术、无线通信技术以及生物医疗技术的迅猛发展而产生。由于摆脱了空间和时间上的限制，降低了医疗成本和医疗时间，植入式无线医疗设备在个体医疗保健方面的市场需求非常强劲，而植入式天线作为无线通信系统的载体，是无线医疗设备中非常关键的器件之一。因此，研发具有高性能的植入式天线对未来无线医疗行业的发展具有非常重要的实用价值。
本书内容分为七章，具体内容如下：第1章为绪论，介绍了植入式天线的研究背景及意义，并讨论了植入式天线的一系列设计需求。第2章研究了电磁波在有耗媒质中的传播特性；分析了电小天线的尺寸、带宽、辐射功率、辐射品质因数等参数间的相互关联及制约关系；总结了仿真时两种用于模拟人体组织的仿真模型并分析了两者的优缺点；探讨了测试天线时采用的几种测试模型及其适用场景。第3章介绍天线的方向函数与方向图，天线的增益、输入阻抗、极化、带宽及有效面积等参数，以及微带贴片天线及其辐射机理、微带贴片天线的理论分析方法、天线的品质因数及其计算。第4章介绍人体组织的电磁特性及相关电参数、几种物理人体模型、数值人体模型、人体中心网络数值建模方法及常用的高频电磁仿真软件等。第5章对双频段植入式天线的小型化和宽频带进行了研究，通过在双频段PIFA接地面上的馈电点和短路引脚之间加载开口槽，实现了PIFA在MICS频段的宽频带特性，同时减小了天线尺寸，并详细讨论了双频段PIFA实现小型化和宽频带的工作原理。此外，针对人体组织的介电特性因人而异，对天线的敏感性进行了分析，并研究了多层人体组织以及同轴电缆对天线的影响，最后评估了天线的安全性及生物兼容性。第6章对胶囊天线的宽频带进行了研究，通过在IFA接地面上加载开口槽延长其电流路径，降低了接地面上的电流路径与其工作波长的不平衡度，从而改善了天线的阻抗匹配；当开口槽置于IFA接地面上的馈电点和短路引脚之间时，同时实现了IFA的宽频带特性，并详细讨论了胶囊天线实现宽频带的工作原理。针对关于植入式天线生物兼容性问题的两种解决方案，提出了关于生物兼容性材料对天线性能影响较小的参考方法。第7章对具有高速数据传输的UWB胶囊天线进行了研究，通过在简单对称双环天线的馈电回路中心添加馈电贴片并改变馈电方向，有效地扩展了对称双环天线的阻抗带宽；然后通过在短路环的中心引入LC负载并用高阻抗线与短路环连接，进而展宽了对称双环天线低频段的阻抗带宽，实现了对称双环天线的UWB特性，并详细讨论了UWB胶囊天线的工作原理。
本书是基于作者近年来对基于多模谐振的宽频带小型化天线需求展开研究的基础上撰写的,同时吸收了国内外相关研究成果。本书的相关研究和分析工作得到了河南科技大学的大力支持，尚江丽博士在资料收集、软件仿真及撰写上也提供了很多帮助和建议，在此深表谢意。
本书在撰写过程中参考的相关文献，已在每一章后列出，如有疏漏，敬请海涵，在此对相关学者表示衷心感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，希望广大读者、专家学者批评指正。

甄志强
2024年4月于河南科技大学

第1章绪论001
1.1概述001
1.2应用于医疗遥测系统的通信频段004
1.3植入式天线在国内外的研究现状006
1.3.1植入式天线的小型化006
1.3.2植入式天线的多频段010
1.3.3植入式天线的宽频带014
1.3.4植入式天线的安全性和生物兼容性016
参考文献019

第2章植入式天线的基本理论028
2.1电磁波在有耗媒质中的传播028
2.1.1电磁波在单层有耗媒质中的传播029
2.1.2电磁波在多层有耗媒质中的传播032
2.2电偶极子在有耗媒质中的辐射034
2.2.1电偶极子在近场吸收的电磁能量036
2.2.2电偶极子在远场吸收的电磁能量037
2.2.3电偶极子的辐射功率038
2.3电小天线039
2.3.1电小天线理论040
2.3.2电小天线的输入阻抗041
2.3.3电小天线的辐射品质因数042
2.3.4电小天线的工作带宽和辐射效率043
2.4植入式天线在人体组织中的设计及测试044
2.4.1人体组织的仿真模型044
2.4.2植入式天线的测试方法046
2.4.3植入式天线的安全性评估048
参考文献050

第3章天线的基本理论054
3.1天线的基本参数及理论054
3.1.1天线的方向函数及方向图054
3.1.2天线的效率055
3.1.3天线的增益055
3.1.4天线的输入阻抗056
3.1.5天线的极化056
3.1.6天线的带宽057
3.1.7天线的有效面积057
3.2微带贴片天线058
3.2.1微带天线简介058
3.2.2微带天线的辐射机理060
3.2.3微带天线的理论分析法061
3.2.4天线的品质因数064
3.2.5自由空间中的微带贴片天线品质因数的计算065
3.2.6植入人体中的微带贴片天线品质因数的计算070
3.3印刷单极子（Printed Monopole）天线072
3.3.1基本结构072
3.3.2设计原理073
参考文献074

第4章人体组织参数及模型076
4.1人体组织的电磁特性及相关电参数076
4.2人体物理模型078
4.2.1液体模型079
4.2.2凝胶模型080
4.2.3固体模型080
4.3人体数值模型081
4.3.1理论模型081
4.3.2体素模型082
4.4人体中心网络数值建模方法085
4.5高频电磁仿真软件介绍087
参考文献088

第5章双频段植入式天线的小型化宽频带研究092
5.1概述092
5.2双频段植入式天线的小型化宽频带设计093
5.2.1PIFA的结构093
5.2.2双频段小型化宽频带天线设计093
5.2.3天线的小型化宽频带工作原理098
5.3双频段植入式天线的性能分析102
5.3.1天线对人体组织介电特性的敏感性分析102
5.3.2多层人体组织对天线的影响104
5.3.3同轴电缆对天线性能的影响106
5.3.4安全性评估107
5.3.5生物兼容性研究108
5.4双频段植入式天线测试113
参考文献116

第6章胶囊天线的宽频带研究120
6.1概述120
6.2胶囊天线的宽频带设计121
6.2.1宽频带胶囊天线的结构121
6.2.2宽频带胶囊天线的工作原理125
6.3宽频带胶囊天线的性能分析127
6.3.1胶囊半径对天线的影响127
6.3.2天线稳定性及安全性评估129
6.3.3生物兼容性研究133
6.4宽频带胶囊天线的测试137
参考文献140

第7章用于高速数据传输的UWB胶囊天线研究142
7.1概述142
7.2基于对称双环结构的UWB胶囊天线设计143
7.2.1UWB胶囊天线的设计143
7.2.2UWB胶囊天线的工作原理145
7.3UWB胶囊天线的性能分析148
7.3.1不同仿真模型对天线性能的影响148
7.3.2不同消化器官对天线性能的影响150
7.3.3生物兼容性研究154
7.4UWB胶囊天线的测试156
参考文献158