小型化可植入柔性射頻天線研究.pdf

1、柔性電子具有可折疊、厚度薄、重量輕、體積小、易共形和制造工藝簡單等優(yōu)點，柔性基板如聚酯、聚乙烯、塑料以及紙張等的價格比較便宜，因此近年來許多科研人員對柔性電子技術(shù)開展了大量的研究。在柔性天線的可植入應(yīng)用中，由于生物組織常常是彎曲的，基于柔性基板的天線相比基于剛性基板的天線能夠更好地與生物組織的表面相吻合，因此開展可植入柔性天線和整流天線的研究對柔性電子技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義，可植入柔性天線和整流天線已經(jīng)成為國內(nèi)外柔性電子技術(shù)研究的熱點

2、課題之一。本文針對可植入柔性單極天線和整流天線的小型化、寬帶設(shè)計技術(shù)和生物相容性開展研究，主要研究工作如下：
　　1.基于蜿蜒貼片結(jié)構(gòu)的小型化寬帶柔性單極天線的研究
　　針對寬帶柔性單極天線的小型化和生物相容性問題，提出了采用聚對二甲苯C（Parylene C）薄膜保護，利用蜿蜒貼片結(jié)構(gòu)在聚酰亞胺薄膜上的單極天線設(shè)計方法。該方法利用蜿蜒貼片結(jié)構(gòu)來延長天線表面電流的路徑，使天線的諧振頻率降低，從而減小天線的體積；采用薄膜有機物

3、基板，提高了天線的可彎曲特性；在天線表面層積具有可靠的電氣絕緣性和耐化學腐蝕性的生物相容性Parylene C保形薄膜，使天線具有了較好的生物相容性和適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。采用薄膜工藝制備技術(shù)實現(xiàn)了具有Parylene C薄膜保護的寬帶柔性單極天線，實驗結(jié)果表明，基于10μm厚Parylene C涂層的蜿蜒貼片柔性單極天線（尺寸為32 mm×18 mm）的工作頻率范圍為2.4 GHz～2.484 GHz和3.5 GHz～10.6 GHz，

4、天線回波損耗在彎曲（半徑20 mm）和涂覆Parylene C薄膜后的變化很小，彎曲后的天線在2.44 GHz、5.8 GHz和10.6 GHz的增益分別為-2.4 dBi、-0.3 dBi和2.4 dBi，測試結(jié)果表明具有Parylene C薄膜保護的蜿蜒貼片寬帶柔性單極天線可以在彎曲狀態(tài)下使用。
　　2.基于基片層間平板電容加載的寬帶柔性單極天線的研究
　　為進一步減小寬帶柔性單極天線的體積，基于電容加載能減小天線尺寸的

5、原理，提出了利用薄基片層間的圓形平板電容加載 U形輻射單元的小型化寬帶柔性單極天線設(shè)計方法，并在饋電微帶線與 U形輻射單元之間引入兩階阻抗變換器，在寬帶范圍內(nèi)改善了天線的輸入匹配，該方法具有充分利用平面單極天線基板下表面的空閑面積，從而減小天線體積的特點?；谠摲椒ㄔ诰埘啺繁∧ど显O(shè)計了一款柔性單極天線，并在該天線表面層積了10μm厚的Parylene C保護薄膜，天線尺寸為28 mm×18 mm。實驗結(jié)果表明，基于薄基片層間的圓形平板

6、電容加載的小型化柔性單極天線的工作頻率范圍為2.4 GHz～2.484 GHz和3.8 GHz～10.6 GHz，天線回波損耗在彎曲（半徑20 mm）和涂覆Parylene C薄膜后的變化很小，天線在彎曲時2.44 GHz、5.8 GHz和10.6 GHz的增益分別為-4.0 dBi、-1.0 dBi和-1.3 dBi，可見基于電容加載的柔性單極天線比基于蜿蜒貼片結(jié)構(gòu)的柔性單極天線具有尺寸更小的特點。
　　3. WLAN柔性單極天

7、線的可植入性研究
　　針對寬帶柔性單極天線的可植入性問題，提出了一種通過減小輻射單元長度，對柔性天線進行輻射特性和輸入匹配的改進設(shè)計使其成為可植入天線的改進設(shè)計方法?；陔娙菁虞d技術(shù)，設(shè)計了一種Parylene C薄膜保護的矩形平板電容加載的WLAN柔性單極天線，實驗結(jié)果表明，WLAN柔性單極天線在 WLAN的兩個頻段內(nèi)都具有較好的全向輻射特性。深入研究了WLAN柔性單極天線在豬肉中的特性，天線在豬肉中的諧振頻率和增益都有明顯的降

8、低，為提高天線在植入環(huán)境中的性能，利用改進設(shè)計方法減小 U形輻射單元的長度，從而改善了天線在豬肉中的輻射特性和輸入匹配，實驗結(jié)果表明，改進后的天線在2.44 GHz時，增益從-12.9 dBi提高到了0.8 dBi，回波損耗從14 dB提高到了18 dB，改進后的天線成為了一種性能較好的可植入天線。
　　4.小型化可植入整流天線的研究
　　針對小型化柔性整流天線設(shè)計，提出了一種在超薄液晶聚合物(LCP)基片上設(shè)計柔性整流天線

9、的方法。該方法采用50μm厚的雙面覆銅基片，可通過普通光刻技術(shù)實現(xiàn)，極大地降低了工藝實現(xiàn)難度；此外，基片的減薄進一步減小了天線的尺寸。在不同彎曲狀態(tài)下的實驗結(jié)果表明，雖然彎曲狀態(tài)下柔性整流天線的功率傳輸效率有一定程度的降低，但是柔性整流天線仍然能夠點亮內(nèi)置的藍色發(fā)光二極管（LED）?；谠撛O(shè)計方法，針對光感基因調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用需求，在超薄LCP基片上實現(xiàn)了一種2.4 GHz～2.484 GHz小型化可植入整流天線，對放入豬肉中的可植入整流