基于聚对二甲苯涂层的紧凑型柔性WLAN可植入电子天线外文翻译资料

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基于聚对二甲苯涂层的紧凑型柔性WLAN可植入电子天线

摘要：本文介绍了一种紧凑的用于无线局域网（WLAN）的平面柔性天线设计，使用与现有的最先进的柔性电子设备兼容的简单微加工技术。天线具有完全绝缘的且具有生物相容性的Parylene C膜，结果表明为这是具有成本效益以及能够为天线的可植入应用制造灵活天线的高度可行的方法。超薄聚对二甲苯薄膜的涂层对天线的回波损耗和辐射模式的影响可以忽略不计。所提出的天线的特点在不同的弯曲条件下也显示出可以忽略的变化。在空中工作的原始WLAN天线成功调谐到在2.4GHz的植入条件下进行调谐散热器的长度。测量结果表明调谐的可植入天线适合与柔性的可植入电子产品进行集成使用。

关键词：紧凑型天线，柔性电子，可植入天线，聚对二甲苯，无线局域网（WLAN）。

1. 引言

柔性电子产品的最新发展方向是寻求与生物体皮肤，器官和组织的曲线表面相吻合，能够用于医学测量和安全使用的生物一体化的电子产品。但是，很多的现有方法无法使用无线通信或者使用近场通信系统（NFC）从极短的距离为设备供电，这是完全可植入系统到某些临床应用的极限。柔性天线在无线局域网中工作（WLAN）可以提供创建高速无线数据传输系统的路由，该系统可以与其他柔性设备组合以在无数应用中发送和接收信号。使用新型材料和技术的天线设计已经以柔性的形式证明几种可植入天线可运行在医疗植入通讯服务（MICS）或工业，科学和医学（ISM）频段。然而，许多天线与现有的柔性电子设备不兼容，或受刚性限制基底太厚，不能整合到体内。此外，大多数报告使用组织模仿凝胶作为其设计参数，但是这种方法并不能证明天线可用于实际应用中，作为不同类型的组织在其电性能方面具有很大的差异。在本文中，我们提出了一种简单的方式来植入紧凑且柔性的单极天线，由薄的聚酰亚胺制成，由蜿蜒的条带和耦合片组成基底。天线首先被设计为在空气中操作，在研究植入后的影响的后期进行调整使用在猪的皮肤下。灵活双频（2.4和5.8 GHz）WLAN的辐射增益变化天线，经过调查可以用于调谐天线在2.4 GHz的植入条件下工作。 2.4 GHz由于能够创建紧凑型天线，因此可以增加许多免许可频段的使用距离。因此，以这种频率工作的可植入天线将会对许多研究人员和行业具有吸引力。

1. 天线设计

我们提出的天线在空气中的几何形状和尺寸如图1所示。 柔性天线由夹在两个金属层（顶部和底部）之间的聚酰亚胺层组成。 两个金属接地条通过六个直径为0.6mm的金属孔连接，如图1所示，图1（a）和（b）。一条宽度为50微米的线条使用0.28mm作为聚酰亚胺的材料结构，其介电常数为3.5，损耗正切为0.003，衬底厚度为127mu;m。如图，天线由a组成U形条和开放条。 U形条控制在2.4-2.484 GHz的较低WLAN工作频段，开放条控制在上层WLAN工作频段5.15-5.875 GHz。 连接在微带馈线和单极之间的低阻抗线的天线宽度和U形之间的距离，调整接地条以获得更好的电压驻波比（VSWR）。天线的尺寸可以大大降低通过向天线添加电容性负载，而这可以通过利用薄的聚酰亚胺基板来实现。该背面矩形耦合贴片的一部分顶部矩形贴片用作负载电容器以减小天线的尺寸。 金属带之间的电容在顶层和底层上的计算为4.2 pF。

图1（a）顶层，（b）底层，（c）交叉视图

1. 天线制造

图2描述了构建柔性WLAN微带天线的制造步骤。使用紫外线切割聚酰亚胺膜，激光器来确定矩形器件形状和尺寸精确的通孔。图2（a）表示预切割聚酰亚胺膜的叠层在临时聚二甲基硅氧烷涂覆的玻璃基板上，其允许利用基于平板的基板进行常规的微细加工。厚铜层被处理在经过氧等离子体处理的膜上，随后铜回蚀工艺形成方块和地面天线。平面图如2（b）所示。等离子体处理增强了铜和膜之间的粘附性。各向同性铜的溅射也彻底地涂覆了通孔。然后将成形的薄膜分层并翻转到用于天线的不同的PDMS涂覆的玻璃基板上，做成如图2（c）的样子。最后，上面的电路图案通过光刻法用另一溅射铜蚀刻工艺形成天线层如图2（d）所示。 完成天线后从临时玻璃分层基板和SMA连接器端部启动插孔，焊接到测量装置上，SMA接头受保护，使用化学蒸气涂覆Parylene-C。 聚对二甲苯C是一种良好的生物相容性材料，其组分与空气或体液相近。 Parylene-C涂层天线可用作具有阻挡层的，并且有希望尽量减少可植入天线的不利因素。

图.2天线的制作工艺。

图2（a）层压板卡普顿薄膜在临时衬底上，（b）沉积和回蚀铜以耦合贴片，（c）去层压和翻转转移到不同的临时衬底上，（d）沉积和蚀刻铜以完成制造

图3（左）Parylene C涂层后制作天线的照片

图4在空气之前模拟和测量天线涂层和涂有Parylene C的同一个天线

四．天线性能

天线的回波损耗，辐射方式和增益在Satimo球面近场测量中测量系统等组成，将天线与模拟结果进行比较。该 Parylene- C涂层对所提出的天线回波损耗的影响如图5所示，作为Parylene-C（2.95）的介电常数的层接近聚酰亚胺的介电常数（3.5）和厚度Parylene-C涂层比较小的聚酰亚胺基板的厚度几乎没有变化。图5显示测量确认天线的单极性行为，涂层天线的工作频带的辐射图在Satimo球形近场测量系统中。 在平面上观察到的图案的全向属性2.4和5.8 GHz相关测量的最大辐射增益为5.4和3.8 dBi。弯曲对回波损耗和辐射的影响天线的性能也通过测量来显示天线弯曲聚苯乙烯泡沫圆筒上。 而谐振频率偏移作为弯曲结果的回波损耗可忽略不计，如图6所示，观察到辐射模式的明显变化如图7所示，这归因于轻微的方向改变天线。

图5空气中的测量和模拟辐射模式（自由空间）在xy面和yz面上2.4GHz和5.8GHz情况下：（a）2.4GHz的平面; （b）2.4GHz的平面;（c）平面5.8GHz; （d）平面为5.8 GHz。

图6平面天线与同一天线在不同直径的泡沫塑料瓶上弯曲的比较

图7在2.4GHz和5.8GHz的不同气缸上弯曲的平面天线和相同天线的辐射图的比较：（a）2.4GHz的平面；（b）2.4GHz的平面；（c）平面为5.8 GHz；（d）平面为5.8 GHz。

图8皮肤下天线的测量设置。

图9空气中的天线与皮肤中嵌入的天线的比较调整后，比较在空气中测量的辐射图，植入在皮肤下进行模拟然后在平面中调谐2.4 GHz之前进行皮肤模拟。

• 1. 可植入天线

近年来开发出许多测量环境，如皮肤模仿胶。但是凝胶的性质与介电常数和真皮的电导率不匹配。最近猪组织被证实是最能模拟电气性能的微波频率下的活体组织。介电常数以及2.4 GHz的猪皮肤的电导率分别为38和1.46 S/m人体皮肤的40和1.6 S / m。为了有效地调整我们的可植入天线，我们首先研究当植入时天线性能的影响如图10所示。天线被埋在猪下面皮肤厚度为1.4毫米，宽度为63毫米，长度为56毫米。然后，参数和辐射模式是测量模式以调查效果。如图所示我们观察到工作频率的变化以及辐射增益的显著下降。在调谐之前皮肤下方的较低频率归因于较高的介电常数和猪肉组织的电导率高于空气。没有调谐，测量天线的最大辐射增益在皮下为12.9 dBi。这样差的最大收益归因于在皮肤下对天线增益有不利影响的高电导率。最后，结合从皮肤获得的性质和天线的测量分析，天线通过仿真调整。增加收益并将工作频率转移回WLAN频率，控制较低频带的U形散热器如图10所示。新调谐的天线采用图1所示的相同方法制造。图11比较了调谐前后天线的测量和模拟结果。2.4GHz下测量皮肤下调谐天线的最大辐射增益有所改善分别为18.8dB和0.8dBi。同样，也可以使用类似的方法进行调整较高的5.8 GHz频率，从而在植入条件下转向较低的频率。

图10调谐天线的几何尺寸（mm）

图11（a）调整之前和之后嵌入皮肤的天线的测量和模拟比较。 比较辐射模式在（b）平面和（c）平面调谐之后，天线被测量植入皮肤之前。

六．结论

在本文中，柔性的Parylene-C涂层天线具有良好的性能，WLAN频率的电气性能已经呈现。测量结果表明，弯曲对Parylene C涂层天线性能的影响可以忽略不计。此外，我们已经展示了WLAN的微调用于可植入应用的天线。由于在不同类型的组织和动物之间变化的电参数提出了在这种介质中设计天线的挑战，所以这种技术提供了一种简单的方法来制造可植入天线。研究辐射和特异吸收（SAR）对肌体的影响。从原来设计用于在空气中操作的天线到可植入天线的成功设计，这可以为设计可植入天线有着重要的指导意义。

使用人工神经网络合成椭圆贴片微带天线

摘要 - 本文提出了一种用于L波段期望频率的椭圆贴片微带天线（EPMSA）设计的神经网络模型。 已经对人工神经网络（ANN）进行了训练，使得对于任何期望的增益在L波段的任何期望的频率下，它可以以很高的精度产生EPMSA的设计参数。 在大多数现有的用于合成EPMSA的ANN中，不包括在谐振频率下的增益，因为很难获得准确的结果。 所提出的方法的主要优点在于，可以容易地提取在特定频率和感兴趣的增益下设计EPMSA所需的各种参数，而不会进入使用昂贵的软件包的严格耗时的迭代设计程序。

索引术语 - L波段，椭圆形微带贴片天线（EMSPA），人造神经网络（ANN），径向基函数（RBF）。

一、引言

目前无线通信系统的增长已经对紧凑型天线产生了巨大的需求，这可以适合手机内部而不会突出。微型天线中最受欢迎的结构是微带贴片天线。微带贴片天线提供了显着的优点，例如薄型，低重量，相对低的制造成本和极化分集。在本文中，提出了使用人造神经网络的微带天线的一般设计程序，并且使用椭圆形微带贴片几何来证明。所提出的方法的优点在于，可以容易地提取在特定频率和感兴趣的增益下设计EPMSA所需的各种参数，而不会进入严格的耗时，迭代设计程序使用昂贵的软件包。在本设计过程中，综合定义给出的问题。使用最有效的衬底材料（如roger 3003和fr4环氧树脂）给出了工作实例。对于合成问题工作频率（fr），增益（g）作为输入，椭圆贴片（a）的尺寸和基板的高度（h）作为输出。所有数据均由模拟工具生成，然后在具有径向基函数的人工神经网络中进行训练。

本文组织如下：第二部分讨论了我们用于研究目的的椭圆形微带贴片天线的设计。 在第三部分中，描述了径向基函数（RBF）网络。第四节介绍了训练ANN的过程，最后得出了结果并进行结论。

二、天线设计

这里，在本节中已经解释了椭圆形贴片微带天线的设计。 EPMSA的正视图和顶视图如图1所示。它由两块由电介质基片隔开的金属片组成。 一种金属是椭圆形，称为贴片，另一种是矩形称为接地平面。 第一层是具有高度（t）的金属椭圆形块。 第二层是电介质基片，第三层称为由高度（t）的金属构成的接地平面。 同轴进给如图所示。 谐振频率和天线增益所依赖的参数是辐射元件的形状和尺寸（贴片尺寸），基板尺寸，馈电点尺寸。

图1（a）椭圆形微带贴片几何的顶视图

图1（b）椭圆形微带贴片几何图的正视图

其中，a =贴片短轴，ac=贴片长轴，e =贴片长轴，b =进给点位置，l =基板和接地面的长度，w =基板和接地平面的宽度，h =底物的高度，t =贴片和接地平面的高度

三、径向基函数网络

径向基函数（RBF）网络是一种三层前馈网络（FFN），其对输出单元使用线性传递函数，对隐层神经元使用非线性传递函数。在大多数情况下，径向基网络（RBN）需要比通常的前馈反向传播网络更多的神经元，但是它们可以在更短的时间内设计，这是实时应用中实际需要的。当有数学的训练数据可用时，他们表现良好。径向基函数（RBF）网络的输入层只是一个不进行处理的扇出层。第二层或隐层执行非线性从输入空间映射到更高的空间/维度，其激活函数从一类称为“基函数”的函数中选择。最终层或第三层即输出层执行带有线性输出的基本加权和。在RBF神经网络中，使用一些或其他聚类技术设置隐藏层基础单位（隐藏层输入）的权重。

关键在于输入空间中的这些模式形成“集群”。如果这些“集群”的中心已知，则可以测量其中心的欧几里德距离。 当RBF网络的输入数据远离连接权重时，激活值会缩小。然后将该距离测量值设计为非线性，使得靠近聚类中心的输入数据获得的值接近于“1”。一旦隐藏层权重被设置，训练的第二阶（通常是反向传播）被用于调节输出权重。

图2径向基函数的结构

四、过程，结果和分析

A.训练ANN数据的生成

将介质材料（衬底）fr4的约2400个读数和通过L波段频率通过的介质材料（衬底）罗杰3003的大约1200读数作为训练数据产生FWS（全波解算器）。在“fr4”的数据生成中，“a”从21mm变化到41mm，“b”从5mm变化到15mm。 “h”的值从0.508mm变化到1.524mm。在“罗杰3003”的数据生成中，“a”从25mm变化到51mm，“a”从5mm变化到20mm，“h”的值从0.254mm变化到1.524mm。在两种材料中，我们将频率范围保持在L波段。

B.训练有素的ANN测试

因此，对于合成，我们将“g”和“fr”作为输入参数，将“a”和“h”作为目标参数，并通过对两种材料的扩展常数从0.001变化到1000来帮助径向基函数训练数据。

C.对ANN进行测试的结果

训练神经网络训练数据后，对网络的真实性进行了测试，随机数据已经被馈送到网络，输出已经从神经网络获取（补丁尺寸和基板高度），如表1和表2所示。

表1合成ROGER 3003材料

表2 FR4环氧材料的

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