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天线技术的进展以及在植入医疗设备中的创新

天线技术的进展以及在植入医疗设备中的创新 微波工程仿真
2025-05-20
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导读:天线技术在过去50年取得了显著进展,推动了无线通信和其他领域的革命。未来的发展方向包括更高频率、更智能的天线系统以及新材料的应用。



天线技术在过去50年取得了显著进展,推动了无线通信和其他领域的革命。未来的发展方向包括更高频率、更智能的天线系统以及新材料的应用。天线技术的进步也推动了植入式医疗设备领域的突破,为患者提供了更先进的治疗方案并提高术后恢复的生活质量。

目录






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As shown below👇

*天线技术的进展

过去50年天线技术的主要创新包括平面与共形天线(如微带贴片天线)的普及、小型化与分形天线的设计(如Sierpinski三角形天线)、超宽带天线(如Vivaldi天线和紧密耦合偶极子阵列)的发展,以及有源天线和MIMO技术的应用。

超材料天线实现了小型化和多频段操作,可重构智能表面(RIS)通过被动反射增强信号覆盖。毫米波与太赫兹天线支持5G/6G高频通信,医疗与可穿戴天线(如纺织天线)拓展了应用场景。

此外,反射器天线(如可展开网状结构)和3D打印介质透镜推动了卫星通信与雷达系统的进步。这些创新共同推动了无线通信、物联网和航空航天等领域的发展。





*植入医疗设备中的射频天线技术

无线植入式医疗设备(IMDs)的传输技术主要包括光学、超声波和射频(RF)三种方式,它们在性能和应用上各有优劣:


光学传输

原理:利用可见光或近红外光(650–2200 nm)进行数据传输。

优点:高数据速率(可达100 Kbps以上),适合短距离皮下或经皮通信。

缺点:信号在深层组织中衰减严重(穿透深度仅约20 mm),易受环境光干扰,且需要精确对准。


超声波传输

原理:通过压电换能器将电信号转换为超声波(100–2000 kHz)进行传输。

优点:组织穿透能力较强(可达25 mm),安全性高(FDA限值720 mW/cm²),适合深部植入设备(如脑刺激器)。

缺点:数据速率中等,易受外部噪声干扰,且需考虑组织依赖性衰减。


射频传输(RF)

原理:利用电磁波(如MICS 402–405 MHz、ISM 2.4 GHz等频段)实现通信。

优点:

组织穿透性好,适合深层植入设备(如心脏起搏器)。

无需严格对准,支持患者自由移动。

高数据速率(MIMO技术可达120 Mbps),兼容现有医疗频段(如MICS/ISM)。

成熟技术,易于集成无线充电(WPT)和多功能传感器。

缺点:需控制比吸收率(SAR≤1.6 W/kg),可能受电磁干扰(EMI)影响。


综上,由于射频技术的优势,成为在植入式医疗设备中的首选。



参考文献



[1] J. L. Volakis, S. R. Rengarajan, Y. Hao and M. Shields, "Highlights of Antenna Innovations (1974–2024): New developments over recent decades," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, doi: 10.1109/MAP.2025.3530414. 

[2] M. Benaissa, A. Chaabane, H. Attia, and I. Al-Naib, “Innovations and Challenges in RF Antenna Technologies for Implantable Medical Devices Communication,” IEEE Journal of Microwaves, vol. 5, no. 3, pp. 526–542, May 2025, doi: 10.1109/JMW.2025.3555480.

        



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微波工程仿真
关注数学、电磁理论、微波射频、电路、工业设计等内容以及相关的仿真、设计工具软件。
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