摘要: 植入式医疗设备在监测人体生理信息、数据传输和药物输送等方面发挥着越来越重要的作用。目前，大部分的植入式医疗设备是由电池供电，电量耗尽就需要通过费用高昂的手术重新更换电池，而无线能量传输技术则为其提供了一种新的供电方法。通过微波辐射... 展开 植入式医疗设备在监测人体生理信息、数据传输和药物输送等方面发挥着越来越重要的作用。目前，大部分的植入式医疗设备是由电池供电，电量耗尽就需要通过费用高昂的手术重新更换电池，而无线能量传输技术则为其提供了一种新的供电方法。通过微波辐射方式来实现无线能量传输的优点是可以支持长距离供电，且使用的传输天线要比感应耦合方式采用的线圈尺寸小很多。植入式天线作为射频能量收集系统中的一个关键器件，其性能的优良也直接影响着基于微波辐射方式的无线能量传输系统性能。 本论文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，研究用于射频能量收集的植入式天线，主要的研究工作有： （1）基于电抗加载的小型植入式天线：考虑到在植入式医疗设备的射频能量收集系统中，天线等器件应具有紧凑的尺寸以避免人体可能产生的异物感或排斥反应，本文设计了一种基于电抗加载的小型植入式天线。通过蜿蜒曲折结构、电抗加载和采用高介电常数的介质基板等方法来减小天线的尺寸，优化后的天线尺寸仅为π×42×1.27mm3。同时通过电抗加载也使天线实现了较宽的阻抗带宽（0.78–1.13GHz），覆盖了ISM频段的902–928MHz，且最大增益为–29.5dBi。此外，为了用于射频能量收集，设计了匹配在天线工作频段的整流电路，并提出了整流天线的集成方案。 由于在植入式医疗设备的射频能量收集中，线极化天线可能因人体的身体姿态变化而使其容易产生极化失配损耗的问题，导致降低接收端所接收到的射频功率，因此本文提出了一种宽带圆极化植入式天线。 （2）宽带圆极化植入式天线：通过在辐射贴片上刻蚀的四个C形缝隙将天线尺寸减小至7.5×7.5×1.27mm3，且产生的多个谐振点使天线实现了宽频带性能。同时，利用微带天线自身的正交简并模使天线实现了圆极化性能。天线的–10-dB阻抗带宽达到30.4%（1.9–2.58GHz），3-dB轴比带宽达到16.9%（2.17–2.57GHz），均覆盖了ISM频段的2.4–2.48GHz。此外，在天线地板下方设计并集成了相应的整流电路，并对其射频能量收集性能进行了实测分析。 但前面所设计的两个天线是单频天线，为了实现射频能量收集、数据传输或睡眠唤醒控制等多频段的多功能工作模式，且考虑到宽频带天线在人体组织环境中具有更好的鲁棒性，本文设计了一种用于射频能量收集和数据遥测的双频宽带植入式天线。 （3）用于能量收集和数据遥测的双频植入式天线：通过加载多条金属辐射枝节和刻蚀缝隙的方法增加多个谐振点，实现了双频段和宽频带的工作性能。其中915-MHzISM频段用于射频能量收集，2.45-GHzISM频段用于数据遥测。天线尺寸为7.9×7.7×1.27mm3，阻抗带宽为0.67–1.05GHz（44.2%）、2.11–2.96GHz（33.5%），且在915MHz和2.45GHz处的峰值增益分别为–28.9dBi和–29.5dBi。此外，利用低频段915-MHzISM实现射频能量收集功能，设计了集成的植入式整流天线结构，并实测验证了该整流天线的性能。 本文提出的植入式天线具有尺寸小、频带宽、鲁棒性高和易于与整流电路集成等特性，可用于植入式医疗设备的射频能量收集系统中。希望能通过本文的相关研究，为植入式天线的设计提供参考。 收起