CN103825087A - 平面倒f天线 - Google Patents

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Abstract

一种平面倒F天线包括：由介电材料制成的第一基板；设置在所述第一基板的第一表面上的接地电极；发射电极，该发射电极与所述接地电极相对地设置，以夹着所述第一基板，其中，该发射电极为S状，并且具有短路点和馈电点，该短路点在该发射电极的边缘部分短路到所述接地电极，该馈电点馈送有电力并且与所述短路点的距离使得所述平面倒F天线对具有特定设计波长的电波的特性阻抗具有特定值；以及第二基板，该第二基板被设置为与所述第一基板一起覆盖整个发射电极，并且该第二基板由介电材料制成。

Description

平面倒F天线
技术领域
本发明涉及例如适用于植入到活体中的平面倒F天线。
背景技术
近来，针对诸如体域网（body area network）的用于向/从植入活体中的通信装置发送/接收各种类型的信息的通信系统的研究和开发正在进行中。用于植入诸如人体或动物体的活体中的通信装置的天线优选地尽可能紧凑和轻薄。在活体中，电波的损耗很大。因此，即使在诸如活体的导致大的电波损耗的介质中，用于植入活体中的通信装置的天线期望能够与其它通信装置进行通信。
为了缩减天线尺寸，提出了各自配备有在其一个或更多个部分折叠的发射电极的天线（参见例如日本特表2006-505973号公报、日本特表2006-533001号公报、日本特开2001-53535号公报和日本特开2006-74351号公报）。然而，这些天线没有被植入活体来进行使用。因此，利用以上描述的天线，不能够降低活体中的电波损耗所造成的负面影响，并且这些天线不适用于与植入活体中的通信装置一起使用。
另一方面，还提出了植入活体中的天线（参见例如日本特表2012-514418号公报和J.Kim等人的“Implanted Antennas Inside a Human Body:Simulations,Designs,andCharacterizations”,IEEE MTT Trans,vol.52,no.8,pp.1934-1943,2004年）。在各个天线中，为了使天线的阻抗与活体的阻抗匹配，天线的发射电极覆盖有介电材料。在天线中，发射电极被折叠而变得紧凑。
发明内容
然而，为了减轻活体的负载，优选的是，使天线尽可能地紧凑。
因此，本发明的目的是提供一种适于植入到活体中并且可以制造得紧凑的平面倒F天线。
根据实施方式，提供了一种平面倒F天线。该平面倒F天线包括：由介电材料制成的第一基板；设置在所述第一基板的第一表面上的接地电极；发射电极，该发射电极与所述接地电极相对地设置，以夹着所述第一基板，并且该发射电极形成为S状，并且具有短路点和馈电点，该短路点在所述发射电极的端部短路到所述接地电极，该馈电点馈送有电力并且与所述短路点的距离使得所述平面倒F天线对具有特定设计波长的电波的特性阻抗为特定值；以及第二基板，该第二基板被设置为覆盖整个发射电极，并且由介电材料制成。
附图说明
图1是例示根据实施方式的平面倒F天线的顶面的透明平面图。
图2是例示沿着图1中的AA'线并且沿箭头指示的方向观察的平面倒F天线的截面侧视图。
图3是例示当覆板（superstrate）的厚度分别是0.5mm、1mm和1.5mm时平面倒F天线的S参数的模拟结果的视图。
图4A和图4B是分布例示当从平面倒F天线去除了绝缘材料层时针对接地电极中的电流密度的分布以及当存在绝缘材料层时针对接地电极中的电流密度的分布的模拟结果的视图。
图5是例示当采用了各种形式的绝缘材料层时平面倒F天线的S参数的模拟结果的视图。
图6是例示针对在平面倒F天线周围形成的频率为405MHz的电波的辐射模式的模拟结果的视图。
图7A和图7B是例示平面倒F天线的透明平面图，其分别例示根据修改例的发射电极的形式。
图8A是根据修改例的平面倒F天线的截面侧视图。
图8B是例示针对根据修改例的接地电极中的电流密度的分布的模拟结果的视图。
图8C是例示作为用于比较的示例，当接地电极覆盖基板的整个底面时接地电极中的电流密度的分布的模拟结果的视图。
具体实施方式
以下参照附图提供了对根据各个实施方式的平面倒F天线（PIFA）的描述。
在下文描述的各个PIFA中，为了使植入有PIFA的活体的阻抗与PIFA的阻抗匹配，发射电极的整个表面覆盖有介电材料。此外，在PIFA中，为了减少对活体的负面影响，接地电极的整个表面还覆盖有绝缘体。另外，由于发射电极处于S状形式，所以能够使得发射电极紧凑，进而使得PIFA紧凑。
图1是例示根据一个实施方式的PIFA1中的基板的表面的透明平面图，图2是例示沿着图1中的AA'线截取并沿箭头指示的方向观察的PIFA1的截面侧视图。为了便于描述，此处假定图1中的水平方向是x轴方向并且竖直方向是y轴方向。此外，假定针对PIFA1的表面的竖直方向是z轴方向。为了便于描述，假定与PIFA1的表面平行的平面是水平平面。
PIFA1包括基板10、设置在基板10的底面上的接地电极11以及设置在基板10的顶面上并且与接地电极11相对以夹着基板10的发射电极12。此外，PIFA1包括叠置在基板10上以夹着发射电极12并覆盖发射电极12的整个表面的覆板13、以及设置在基板10下方以夹着接地电极11并覆盖整个接地电极11的绝缘材料层14。PIFA1植入活体中，使得例如基板10的顶面比基板10的底面更靠近活体的表面，并且基板10的顶面基本平行于活体的表面。在绝缘材料层14的底面下方设置有用于利用PIFA1发送或接收电波的通信电路（未例示）。该通信电路可以覆盖有绝缘材料。
基板10支撑接地电极11和发射电极12。基板10由例如包括玻璃和陶瓷的介电材料制成。另选地，基板10可以由诸如丙烯酸树脂的适于叠置并且在生物兼容方面优异的其它介电材料制成。基板10的厚度被确定为使得PIFA1的特性阻抗是诸如50Ω或75Ω的特定值。
接地电极11是连接到地的平面导体，在本实施方式中，接地电极11覆盖基板10的整个底面。
接地电极11的面积越大，PIFA1的阻抗与植入有PIFA1的活体的阻抗匹配的电波的频率越低。因此，可以根据从PIFA1发送的或者由PIFA1接收的电波的设计波长来设计接地电极11的大小。
发射电极12是设置在基板10的顶面与覆板13的底面之间的细长且平坦的导体。在本实施方式中，发射电极12具有S状的形式，并且其边缘12a用作短路点，该短路点例如通过形成在基板10上的通孔连接到接地电极11。在离开电路点12a一定距离的位置处设置有馈电点12b，该距离使得针对从PIFA1发送或者由PIFA1接收的电波的设计波长，PIFA1的特性阻抗是特定值（诸如50Ω或75Ω）。发射电极12在馈电点12b例如通过形成在基板10上的通孔连接到接地电极11并且被馈电。从馈电点12b到发射电极12的另一边缘点的长度被设置为设计波长的大致四分之一。利用上述特征，基板10、接地电极11和发射电极12整体地作为平面倒F天线工作。
由于发射电极12具有S状的形式，所以x轴长度和y轴长度均短于设计波长的四分之一（1/4）。因为该形式，发射电极12的彼此不同的三个部分沿着x轴方向被包括在特定宽度内，因此发射电极12在水平面上的大小较小。
此外，发射电极12的两个边缘沿着y轴方向被折叠，使得短路点12a和发射电极12的另一个边缘部分彼此相对。因此，发射电极12在x轴方向上的大小变得更小。因为上述特征，能够减小PIFA1的大小。例如，当PIFA1发送和接收频率在400MHz频带（体域网中使用的频带中的一个）内的电波时，如图1所例示，发射电极12在x轴方向上的长度是11mm，并且发射电极12在y轴方向上的长度是26mm。
应注意的是，接地电极11和发射电极12由金属（例如，铝、铜、金、银或镍）、金属合金或者具有导电性的其它材料制成。
覆板13使PIFA1的阻抗与植入有PIFA1的活体的阻抗匹配。针对该目的，覆板13由包括玻璃和陶瓷的介电材料制成。覆板13可以由诸如丙烯酸树脂的适于叠置并且在生物兼容方面优异的其它介电材料制成。
应注意的是，基板10和覆板13可以由相同的介电材料制成或者分别由不同的介电材料制成。
覆板13的厚度被确定为使PIFA1的阻抗与植入有PIFA1的活体的阻抗匹配。下面将描述覆板13的厚度使得PIFA1的阻抗与活体的阻抗匹配的效果。
图3是例示当覆板的厚度分别是0.5mm、1mm和1.5mm时PIFA1的S参数的模拟结果的视图。在该模拟中，基板10的介电常数和覆板13的介电常数分别是10.2，并且基板10的厚度是1.5mm。绝缘材料层14的厚度是0.5mm，并且绝缘材料层14的介电常数是2.5。PIFA1具有46.7的介电常数，并且PFIA1被植入在厚度为5mm的活体层与介质损耗角正切为0.69S/m且厚度为10mm的活体层之间。
在图3中，水平轴指示频率[GHz]，竖直轴指示S11参数的值[dB]。曲线300指示当覆板13的厚度是0.5mm时PIFA1的S11参数的频率特性。曲线310指示当覆板13的厚度是1.0mm时PIFA1的S11参数的频率特性。曲线320指示当覆板13的厚度是1.5mm时PIFA1的S11参数的频率特性。应注意的是，各个频率特性是使用有限元法通过电场分析计算的。
如曲线300到320所示，覆板13越厚，PIFA1的阻抗与植入有PIFA1的活体的阻抗的匹配越好。覆板13越厚，PIFA1的阻抗与植入有PIFA1的活体的阻抗匹配最好的电波的频率越高。这是因为活体的介电常数非常高，例如，在40到50的范围，而适于植入活体中的介电体的介电常数比活体的介电常数低。在此示例中，覆板13的厚度是0.5mm，但是覆板13的厚度可以被设定为例如0.5mm到1.5mm的范围内的值，这是因为S11参数的值比-6dB（可用于无线电通信的天线的目标值）低。
绝缘材料层14保持接地电极11与植入有PIFA1的活体绝缘。因为该绝缘，从PIFA1发送的或者由PIFA1接收的电波造成的负面影响可以减少。为了有效减少在接地电极11中流动的电流造成的负面影响，优选的是，绝缘材料层14的介电常数比基板10的介电常数和覆板13的介电常数低。绝缘材料层14优选地在生物兼容性方面优异，因为PIFA1与活体接触。因此，绝缘材料层14优选地由例如氟树脂制成。
图4A和图4B是例示当从PIFA1去除绝缘材料层14时以及当存在绝缘材料层14时针对接地电极11中的电流密度的分布通过有限元法进行的模拟结果的视图。在该模拟中，假定PIFA1接收频率为424MHz的电波。发射电极12的大小如图3所例示，并且各个基板的大小和物理特性与图3例示的模拟中的各个基板的大小和物理特性相同。应注意的是，覆板13的厚度是1.5mm。
在图4A和图4B中，颜色越深表示电流密度越高。从模拟结果明显的是，可以理解，当存在绝缘材料层14时，接地电极11中的电流密度通常更低。
图5是例示当采用了各种形式的绝缘材料层14时PIFA1的S参数的模拟结果的视图。在该模拟中，发射电极12的大小如图1所例示，并且各个基板的大小和物理特性与图3例示的模拟中的各个基板的大小和物理特性相同。覆板13的厚度是1.5mm。
在图5中，水平轴指示频率[GHz]，竖直轴指示S11参数的值[dB]。曲线500例示当绝缘材料层14设置在基板10下方使得绝缘材料层14仅覆盖接地电极11时，PIFA1的S11参数的频率特性。曲线510例示当绝缘材料层14形成为使得绝缘材料层14覆盖PIFA1的整个侧面，即，使得绝缘材料层14不仅覆盖接地电极11而且还覆盖发射电极12和覆板13的侧面时，PIFA1的S11参数的频率特性。曲线520例示当绝缘材料层14被形成为使得绝缘材料层14覆盖整个PIFA1时，PIFA1的S11参数的频率特性。各个频率特性是使用有限元法通过电场分析计算的。从曲线500到520明显的是，可以理解，当绝缘材料层14被形成为覆盖接地电极和诸如发射电极12的其它区间时，与绝缘材料层14被形成为仅覆盖接地电极11相比，S11参数更大，并且PIFA1的通信性能更低。
如模拟结果所指示的，优选的是，绝缘材料层14不包围发射电极12和覆板13，而仅设置在基板10下方。为了满足该要求，在本实施方式中，绝缘材料层14被设置为覆盖接地电极11的底面和侧面而不包围基板10的侧面。
接地电极11和发射电极12通过例如蚀刻或粘接固定到基板10的顶面或底面。基板10和覆板13例如通过粘接也彼此固定。按照相同的方式，接地电极11和绝缘材料层14例如通过粘接彼此固定。
图6是例示针对在PIFA1周围形成的频率为405MHz的电波的辐射模式的模拟结果的视图。在该模拟中，发射电极12的大小如图1所例示，并且基板的大小和物理特性与图3例示的模拟中使用的基板的大小和物理特性相同。覆板13的厚度是1.5mm。
在辐射模式600中，颜色越深表示电场强度越高。在本实施方式中，在PIFA1与设置在植入有PIFA1的活体外部并且设置在距PIFA1为9m的位置处的无线电发射器之间，增益处于从大约-32dB到-30dB的范围内。
如上所述，PIFA包括覆盖发射电极的介电层。因此，即使当PIFA植入电波损耗较高的活体中时，活体与PIFA之间的电波的反射被抑制，其使得能够与活体外部的通信装置进行通信。由于该PIFA包括覆盖接地电极的绝缘材料层，所以能够减少流过接地电极的电流对活体造成的负面影响。此外，由于PIFA中的发射电极被折叠成S状，所以能够使PIFA在水平方向上紧凑。
本发明不限于上述实施方式。图7A和图7B是分别例示根据修改例的PIFA的发射电极的形式的透明平面图。根据图7A例示的修改例，发射电极12’在y轴方向上的长度比图1例示的发射电极12的长度短，而在x轴方向上的长度比发射电极12的长度长。在此示例中，例如，x轴方向上的长度是15mm，y轴方向上的长度是18mm。在此示例中，发射电极12'的在与短路点12a的相对侧上的边缘部分12c被设置在相对于发射电极12'的右边缘部分的内侧。因为该构造，所以发射电极12'在边缘部分12c附近与x轴方向平行。
另一方面，根据图7B例示的修改例，为了减小PIFA在水平方向上的大小，与图1例示的发射电极12相比，发射电极12''进一步被折叠，使得发射电极12''的设置有短路点12a的边缘附近的部分和发射电极12''的另一个边缘附近的部分平行于x轴方向。因为该构造，发射电极12''在短路点12a与馈电点12b之间的区间具有U状的形式。结果，发射电极12''的五个部分平行于x轴，因此PIFA在水平方向上的大小能够减小。
根据另一个修改例，发射电极可以按照直角以外的任意角折叠。另选地，发射电极可以是弯曲线。
图8A是又一个修改例中的PIFA的截面侧视图。根据该修改例，接地电极11比基板10的底面小，并且基板10在接地电极11周围的底面直接并且紧密地接触绝缘材料层14。因为上述结构，所以在该修改例的PIFA中，基板10、覆板13和绝缘材料层14的大小相同。
图8B是例示针对图8A中例示的变型例的接地电极中的电流密度的分布的模拟结果的视图。图8C是例示作为比较示例，当接地电极覆盖基板的整个底面时接地电极中的电流密度的分布的模拟结果的视图。在该模拟中，假定PIFA1接收频率为405MHz的电波。还假定发射电极的大小如图7A所例示，并且各个基板的大小和物理特性与图3例示的模拟中采用的大小和物理特性相同。覆板13的厚度是1.5mm。
在图8B和图8C中，颜色越深表示电流密度越高。从模拟结果明显的是，可以理解，在接地电极11比基板10的底面小，并且基板10的底面与接地电极11周围的绝缘材料层14紧密接触的构造中，接地电极11中的电流密度通常更低。

Claims (5)

1.一种可植入活体中的平面倒F天线，该平面倒F天线包括：
由介电材料制成的第一基板；
设置在所述第一基板的第一表面上的接地电极；
发射电极，该发射电极与所述接地电极相对地设置，以夹着所述第一基板，该发射电极具有S状的形式，并且具有短路点和馈电点，该短路点在该发射电极的边缘部分短路到所述接地电极，该馈电点馈送有电力并且与所述短路点的距离使得所述平面倒F天线对具有特定设计波长的电波的特性阻抗具有特定值；以及
第二基板，该第二基板被设置为与所述第一基板一起覆盖整个发射电极，并且该第二基板由介电材料制成。
2.根据权利要求1所述的平面倒F天线，其中，所述发射电极被折叠，使得所述发射电极的设置有所述短路点的边缘部分与所述发射电极的另一个边缘部分彼此相对。
3.根据权利要求1所述的平面倒F天线，其中，从所述发射电极的设置有所述短路点的边缘部分到所述发射电极的所述馈电点的区间具有U状形式。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的平面倒F天线，该平面倒F天线还包括绝缘材料层，该绝缘材料层被设置为与所述第一基板一起覆盖整个接地电极并且将植入有所述平面倒F天线的活体与所述接地电极绝缘。
5.根据权利要求4所述的平面倒F天线，其中，所述绝缘材料层的介电常数比所述第一基板和所述第二基板的介电常数低。
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