CN105024155B - 一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线 - Google Patents

一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线，包括天线结构、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，所述天线结构由辐射金属贴片，金属地板贴片及两层介质基板构成，所述辐射金属贴片由加载圆形互补开口环及四个变形T型缝隙结构构成，所述两层介质基板垂直叠加放置，所述同轴馈电结构由50Ω的同轴电缆构成。本发明具有小型化，低剖面，高增益，抗干扰，生物相容等特点。

Description

一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线
技术领域
本发明属于生物医学应用领域，具体涉及一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线。
背景技术
近年来，随着生活水平的提高和人口老龄化趋势，医疗救治及健康监护等问题受到了越来越多的关注。远程医疗遥测技术的发展为提高诊断与医疗水平、降低医疗开支、满足广大人民群众保健需求提供了一项全新的医疗服务体验。无线通信作为远程医疗系统的重要组成部分，将影响整个医疗过程的准确性。只有系统获得准确的人体生理或生化信息，医生才可以对患者进行相应的医学治疗。远程医疗系统可以通过植入式设备采集人体医学信息，而植入式设备与外部基站建立起可靠通信链路关键技术之一是可植入天线的设计。由于应用环境的特殊性，可植入天线的研究具有一定的难度和挑战。人体组织是非均匀的各向异性的有耗色散媒质，组织的电导率和介电常数等电参量是随着频率、温度、组织结构和含水量等的变化而不同，同时，人体是形状各异且处于运动状态，电磁波辐射边界条件会随着人体运动而改变，因而相对于自由空间，植入式天线需要考虑人体电磁特性对天线性能的影响。进一步的，为了便于天线的植入以及避免人体的生物排斥，还必须考虑可植入天线的小型化、生物相容性、安全性等因素。
圆极化天线是指一个天线所辐射的电场和磁场的方向和大小不是固定的，而是随着时间变化在一个平面内形成一个椭圆。满足一定条件下，椭圆可以变成圆，即纯圆极化。相对于线极化天线，圆极化天线在实际应用中有许多优势：任意摆放或任意极化形式的电磁波均可以被圆极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则可以被任意极化的天线接收；圆极化波入射到对称目标时会发生旋向逆转，所以圆极化天线应用于移动通信能抗多径反射。微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，微带天线具有低剖面、易于共形，重量轻、体积小和批量生产等优点，广泛应用于测量和通讯各个领域。圆极化微带天线集微带天线和圆极化天线的特点于一身，因此，圆极化微带天线非常适用于植入人体的处于任意位置或方向的生物医学设备。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线。
本发明采用如下技术方案：
一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线，包括天线结构、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，所述天线结构由辐射金属贴片、金属地板贴片及两层介质基板构成，所述金属地板贴片位于天线的底部，两层介质基板印刷在金属地板贴片上，所述两层介质基板由上、下层介质基板构成，所述辐射金属贴片印刷在下层介质基板顶面中间。
所述辐射金属贴片由圆形互补开口环及四个变形T型缝隙结构构成。
所述圆形互补开口环加载在辐射金属贴片的中间，该圆形互补开口环的圆心为辐射金属贴片的中心，所述四个变形T型缝隙结构相同，加载辐射金属贴片的四周。
所述两层介质基板垂直叠加放置，所述两层介质基板的边长均为8.5mm，厚度都为0.635mm。
所述辐射金属贴片的边长为8mm。
所述同轴馈电结构由50Ω的同轴电缆构成，所述同轴电缆内芯半径为0.4mm。
所述生物相容镀膜结构由包裹整个天线的镀膜构成，所述镀膜的厚度为0.02mm。
所述四个变形T型缝隙结构加载辐射金属贴片的四周，具体与辐射金属贴片的四条边一一对应，且围绕圆形互补开口环，每个变形T型缝隙结构为左右对称。
本发明的有益效果：
(1)天线通过在辐射贴片上加载互补开口环，引入具有负磁导率的超材料结构，缩小天线的尺寸；
(2)天线通过在辐射贴片四边增加四个变形的T型缝隙结构，有效的延长了天线的辐射电流长度，进一步缩小天线的尺寸，相对普通的矩形贴片天线，天线尺寸更小，更有利于应用于生物医疗设备；
(3)天线通过开口环实现天线的圆极化性能，调节开口环的尺寸和缺口大小就能方便的调节天线的圆极化性能；
(4)天线具有圆极化性能，相比普通的线极化天线，能接受不同方向的线极化来波，方便植入式设备的安装，同时减小无线通信过程中多径效应，具有较强的抗干扰性；
(5)对整幅天线采用生物相容材料进行镀膜处理，降低电磁耦合，减小人体的排异反应，同时镀膜的绝缘性特性隔离了辐射贴片与具有导电性特性的生物组织接触；
(6)加载互补开口环的圆极化天线具有小型化，低剖面，高增益，抗干扰，生物相容等特征。
附图说明
图1(a)是本发明的俯视图；
图1(b)是本发明的侧视图；
图2是本发明在单层人体皮肤组织模型上的反射系数及轴比仿真图；
图3是本发明在单层人体皮肤组织模型上2-D方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1(a)～1(b)所示，一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线，具体为方形结构，其边长gs为8.5mm，厚度h为1.27mm。
所述天线结构由辐射金属贴片1，金属地板贴片2和两层介质基板3构成，所述辐射金属贴片由加载圆形互补开口环4及四个变形T型缝隙结构5构成，所述两层介质基板包括上、下层介质基板，所述辐射金属贴片印刷在下层介质基板顶面中间，边长la为8mm。所述圆形互补开口环圆心为辐射金属贴片中心，其外环外半径ra为2.2mm，外环内半径rb为1.8mm，内环外半径rc为1.3mm，内环内半径rd为0.9mm，所述四个变形T型缝隙结构位于辐射贴片四周，结构完全一样，长度lb为4.8mm,宽度wa为1.6mm,所述金属地板贴片位于底层。
所述四个变形T型缝隙结构的结构相同，加载辐射金属贴片的四周，具体与辐射金属贴片的四条边一一对应，且围绕圆形互补开口环，每个变形T型缝隙结构为左右对称。
所述两层介质基板垂直叠加放置，都采用高介电常数材料RO3210，其相对介电常数为10.2、电损耗角为0.003。介质基板的边长gs都为8.5mm，厚度h1和h2都为0.635mm。
所述两层介质基板印刷在金属地板贴片上。
所述同轴馈电结构由50Ω的同轴电缆6构成，所述电缆内芯辐射金属贴片连接，外表面与金属地板贴片相连。
所述生物相容镀膜结构由包裹在整幅天线外面的镀膜构成。所述镀膜材料采用氧化铝(alumina)材料，其相对介电常数为9.2、电损耗角为0.008，不仅具有生物相容性，同时具有绝缘性，镀膜厚度为0.02mm。
如图2和图3所示，一种应用于生物医疗的加载互补开口环的圆极化天线谐振于2.45GHz，具有圆极化特性，同时，天线也具有较高的增益。
本发明设计的加载互补开口环的圆极化天线工作于工业、科学、医学频段(ISM频段：2.4–2.48GHz)，具有小型化，低剖面，高增益，抗干扰，生物相容等特征。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于生物医学遥测的加载互补开口环的圆极化天线，包括天线结构、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，其特征在于，所述天线结构由辐射金属贴片、金属地板贴片及两层介质基板构成，所述金属地板贴片位于天线的底部，两层介质基板印刷在金属地板贴片上，所述两层介质基板由上、下层介质基板构成，所述辐射金属贴片印刷在下层介质基板顶面中间；
所述辐射金属贴片由圆形互补开口环及四个变形T型缝隙结构构成；
所述圆形互补开口环加载在辐射金属贴片的中间，该圆形互补开口环的圆心为辐射金属贴片的中心，所述四个变形T型缝隙结构相同，加载辐射金属贴片的四周。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述两层介质基板垂直叠加放置，所述两层介质基板的边长均为8.5mm，厚度都为0.635mm。
3.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述辐射金属贴片的边长为8mm。
4.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述同轴馈电结构由50Ω的同轴电缆构成，所述同轴电缆内芯半径为0.4mm。
5.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述生物相容镀膜结构由包裹整个天线的镀膜构成，所述镀膜的厚度为0.02mm。
6.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述四个变形T型缝隙结构加载辐射金属贴片的四周，与辐射金属贴片的四条边一一对应，且围绕圆形互补开口环，每个变形T型缝隙结构为左右对称。
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