超薄柔性聚酰亚胺基UWB MIMO天线的设计与性能研究及其在医疗诊断中的应用

为解决可穿戴医疗设备中天线性能受人体组织吸收和波失真影响的问题，研究人员设计了一种基于聚酰亚胺基板的超宽带（UWB）4端口MIMO天线。该天线采用X形结构和电磁带隙（EBG）元件，实现了2.7-10.5 GHz的宽频带操作，平均增益达4.01 dB，效率为76.2%（距皮肤7 mm时）。研究为无线健康监测提供了高分辨率、非侵入性解决方案，显著提升了穿戴式生物医学设备的信号稳定性和隔离度。

　　

在医疗诊断和健康监测领域，传统有线传感器存在侵入性强、患者舒适度低等问题，而无线技术尤其是超宽带（UWB）因其高分辨率和高效信号传输能力成为研究热点。然而，人体组织的电磁特性会导致天线性能下降，如增益降低、效率损失和阻抗失配。现有柔性天线设计在隔离度、机械耐久性等方面仍存在不足。针对这些挑战，国内某研究团队在《Results in Engineering》发表论文，提出了一种基于聚酰亚胺基板的超薄柔性UWB 4端口MIMO天线，为可穿戴医疗设备提供了创新解决方案。

研究采用计算机仿真技术（CST） Microwave Studio进行设计优化，通过X形隔离结构和EBG单元抑制表面波损耗，结合共面波导（CPW）馈电实现宽频带阻抗匹配。天线尺寸为65×65×0.1 mm³，在2.7-10.5 GHz频段内测得平均增益4.01 dB，效率76.2%（距皮肤7 mm时）。实验验证包括S参数测试、辐射方向图分析和人体负载性能评估。

1. 天线设计
通过四阶段迭代优化，最终设计采用X形中心结构结合EBG和接地槽，实现宽频带（2.7-10.5 GHz）和低耦合（S₂₁<-20 dB）。0.1 mm聚酰亚胺基板（ε_r=3.5）保障了柔性和生物相容性。

2. 参数研究

• 间距影响：距皮肤0-15 mm测试显示，增益从1.48 dB（0 mm）提升至5.52 dB（15 mm），证实7 mm为性能平衡点。
• EBG作用：虽对S参数影响较小，但使5.8 GHz效率从85.2%提升至88.9%，增益提高0.24 dB。

3. 性能验证

• 回波损耗：实测S₁₁<-10 dB覆盖全频段，皮肤接触时效率降至50.13%，但仍满足医疗应用需求。
• MIMO性能：包络相关系数（ECC）<0.05，分集增益（DG）达6-10 dB，证明多端口独立性。

4. 对比优势
与文献中MBAN/ISM频段天线相比，该设计在超薄（0.1 mm）、UWB带宽和峰值增益（5.64 dB）方面具有显著优势，尤其适合肿瘤检测等高精度应用。

结论与意义
该研究通过创新性X形解耦和EBG集成，解决了可穿戴天线在人体环境中的性能退化问题。尽管直接皮肤接触时效率下降34.2%，但其仍为非侵入式医疗诊断提供了可靠平台。未来工作将聚焦弯曲动态性能评估和比吸收率（SAR）分析，进一步推动其在实时健康监测中的临床应用。