一种紧凑型圆极化MIMO天线，具有宽的AR带宽，适用于植入式生物医学设备

《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》：A Compact Circularly Polarized MIMO Antenna With Wide AR Bandwidth for Implantable Biomedical Devices

提出一种工作于2.45GHz ISM频段的紧凑二进制MIMO圆极化天线，通过短针和地/贴片加载实现双端口极化互补，并利用不规则X形槽蚀刻扩展轴比带宽至40%和25.6%，同时端口间隔离超过21dB，结构紧凑（4.1×5.1×0.254mm）。

　　

摘要：

本文介绍了一种用于生物医学无线通信的新型紧凑型二元多输入多输出（MIMO）天线，工作频率为2.45 GHz的工业、科学和医疗频段。该天线的圆极化（CP）是通过在每个二元MIMO天线单元上引入一个短针，并在接地层或贴片上设置一个槽来实现的。端口1采用右旋圆极化（RHCP），端口2采用左旋圆极化（LHCP），从而在2.45 GHz频段实现极化分集。通过在接地层上蚀刻一个不规则的X形槽，可以增加电流环的数量，进而拓宽天线的轴比带宽。两个端口的轴比带宽分别为40%和25.6%，与其他类似天线相比，这显著提高了通信质量。此外，该天线具有非常紧凑的结构尺寸，仅为4.1毫米×5.1毫米×0.254毫米，并且两个端口之间的隔离性能优异，隔离度超过21 dB。

引言

近年来，可植入医疗设备的快速发展为患者提供了无痛且非侵入性的治疗方式[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。作为这些设备的关键组件之一，天线的微型化及其高效的信号传输对于保持其良好工作状态至关重要[2]。因此，学者们提出了多种天线解决方案，包括多频段[3]、超宽带[4]、双极化[5]和圆极化[6]天线，这些天线具有高增益和稳定的辐射模式[7]。然而，单输入单输出系统存在一些问题，如频谱效率低、数据传输速率有限以及适应多径环境的能力不足，难以满足现代高数据速率和大容量的无线通信需求[8]。为了解决这些问题，研究人员引入了多输入多输出（MIMO）技术，该技术通过空间分集显著提高了通信性能[9]、[10]、[11]。然而，这些天线采用线性极化方式，在实际应用中可能会导致极化方向偏离。因此，圆极化MIMO天线受到了广泛关注[12]、[13]、[14]、[15]。不过，这些天线的轴比（AR）通常较窄，限制了其抗干扰能力和空间兼容性。例如，一款915 MHz的双圆极化MIMO天线（具有RHCP和LHCP端口）的轴比带宽仅为10.35%[13]。黄等人设计了一种用于无导线起搏器的三频段MIMO天线，其双频段圆极化性能的轴比带宽分别为4.9%和5.4%[16]。然而，这些轴比带宽仍然较窄，限制了信号的抗干扰能力和空间兼容性。