CN105305069B - 一种工作于ism频段的差分馈电植入式圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线，包括上、下层介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，所述天线辐射单元位于两层介质基板中间，所述地板位于下层介质基板的下方，所述对称同轴包括右上同轴及左下同轴，所述右上同轴及左下同轴位于天线辐射单元的对角线上，且关于介质基板中心对称。本发明能有效延长电流路径，使天线尺寸缩小，产生圆极化，能有效抑制信号多径损耗及极化失配。本发明具有尺寸小、轴比带宽宽等优点，适用于人体局域网通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学遥测领域，具体涉及一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线。
背景技术
无线植入式装置能将数据传输到身体外部的卫生医疗中心，可以帮助远在异地的医生随时诊断患者病情、提供更及时的治疗。如今，由于植入式天线的发展，我们能做到即使没有物理上肢体接触，就能远程监控患者病情。
通过利用圆极化技术，在利用远场射频连接遥测技术时能有效抑制多径损耗及极化失配。相比线极化，圆极化能降低数据传输误码率和减少极化失配。
近些年，植入式圆极化天线越来越成为研究热点。联邦通信委员会(FederalCommunications Commission,FCC)已批准ISM(Industrial Scientific Medical)频段2.40-2.48GHz可用于植入式的工作频段。然而，由于ISM属于射频波段，天线发射或接收的电磁波会由于人体组织造成严重的损耗，从而导致天线增益的降低，对天线的小型化设计带来挑战。
从目前的天线设计来看，轴比带宽过低是限制植入天线应用的一个重要因素，这是由于人体组织非均匀，电参数及质量密度变化较大且各向异性，宽的轴比带宽，更加适应复杂的人体环境。采用差分结构能有效降低共模信号对信号的影响，同时也便于与外部射频器件输入/输出端口的连接。
发明内容
为了克服现有技术生物医学遥测天线技术存在的不足之处，本发明提供一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线。
本发明采用如下技术方案：
一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线，包括上、下层介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，所述天线辐射单元位于两层介质基板中间，所述地板位于下层介质基板的下方，所述对称同轴包括右上同轴及左下同轴，所述右上同轴及左下同轴位于天线辐射单元的对角线上，且关于介质基板中心对称。
所述天线辐射单元由正方形贴片构成，所述正方形贴片具有四条开缝，所述正方形贴片中心开槽。
所述正方形贴片中心开槽为正方形，所述四条开缝包括右上、左下、左上及右下开缝，所述右上及左下开缝关于正方形贴片中心对称，所述左上及右下开缝关于正方形贴片中心对称。
所述右上、左下、左上及右下开缝的形状均为矩形，所述矩形宽度相同，都是0.4mm。
所述右上及左下开缝比左上及右下开缝的长度长，具体为，右上及左下开缝的长度是6.2mm，左上及右下开缝的长度是3.75mm。
所述正方形贴片中心开槽由带一对三角形切角的正方形切槽构成，所述正方形切槽边长是3.5mm，所述三角形切角平行边长是1mm，竖直边长是1.75mm。
所述地板为正方形，所述地板中心具有十字型开槽，所述十字型开槽具体是，在地板的两条对角线上开有垂直正交的两条矩形开缝，所述两条矩形开缝的长度均为5mm，宽度均为1.1mm。
本发明的有益效果：
本发明地板开槽的应用能有效延长电流路径，使天线尺寸减小；采用圆极化能抑制多径损耗和极化失配；差分结构能抑制共模噪声，提高辐射效率，且便于连接到射频集成电路输入/输出端口。
附图说明
图1(a)是本发明的主视结构示意图，图1(b)是本发明的地板结构示意图，图1(c)是本发明的俯视结构示意图。
图2是本发明及一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线的仿真环境图。
图3是本发明及一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线植入单层皮肤组织模型时的差分反射系数及轴比仿真图。
图4(a)及图4(b)分别是本发明在xoz和yoz平面上实际增益仿真图。
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)～图1(c)所示，一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线,包括上、下层介质基板1A、1B、天线辐射单元2、对称同轴及地板4，所述天线辐射单元位于两层介质基板中间，所述地板4位于下层介质基板1B下表面，所述天线辐射单元2由四条对称开缝(5A、5B、6A、6B)及中心开槽的正方形贴片构成，所述地板在对角线上开十字槽，所述天线在单层组织模型中仿真。
所述天线辐射单元2的正方形贴片在中心开有一个具有对称三角形切角的正方形切槽,边长r＝3.5mm，所述正方形切槽的边长Lc＝9.3mm,所述对称切角包括分别位于所述中心切槽的右下切角3A及左上切角3B，所述右下切角3A与中心垂直线平行的直角边长p＝1.75mm，与中心垂直线垂直的直角边长t＝1mm。
本发明采用中心开有正方形切槽，是因为能延长电流有效路径，使天线实现小型化，中心开槽加边长长度不同的三角形切角，是用于产生90°的相位差，进而产生圆极化。
所述四条对称开缝包括右下及左上开缝6A、6B，长度都是g＝6.2mm,宽度是w＝0.4mm,左下及右上开缝5B、5A，长度都是m＝3.75mm,宽度是w＝0.4mm。且四条开缝距离坐标轴的距离都是d1＝3.35mm，坐标轴是指图1中XOY轴，其中右下及左上开缝与正方形贴片水平中线平行，左下开缝及右上开缝与正方形贴片垂直中线平行。
本发明在正方形贴片上开四条关于介质基板中心对称的开缝，是为了产生幅度相同的TM10与TM01两种振荡模，从而产生圆极化。
所述地板4为正方形，所述地板在对角线上开十字槽，所述十字槽是由两条相同的开槽7A、7B组成，长度是k1＝5mm,宽度是w1＝1.1mm。
本发明地板开十字槽，可以延长电流有效路径，使天线尺寸减小。
所述对称同轴包括右上同轴8A、左下同轴8B，所述对称同轴位于地板与天线辐射单元之间，所述对称同轴8A、8B关于介质基板中心对称。所述对称同轴分别与天线对称馈电端口相连。对称同轴的直径是0.4mm。所述右上同轴8A位于所述天线辐射单元对角线上，与所述介质基板中心垂直线距离d＝2.5mm。
所述介质基板选用Rogers Ro3010，边长为L＝9.8mm，厚度为0.635mm，相对介电常数是10.2，损耗角正切是0.0035。
所述介质基板包括上、下两层薄的正方形基板1A、1B，所述上层介质基板1A位于天线辐射单元上方，所述下层介质基板1B介于天线辐射单元与地板之间。厚度远小于工作频点的四分之一波长。
所述组织模型形状是立方体，具体依据人体皮肤电磁特性进行模拟仿真。
如图2所示，所述用于体内通信的工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线植入皮肤组织的深度是dp＝4mm,所述地板与皮肤组织下表面距离是20mm。
如图3所示，所述天线置于立方体人体组织模型中，差分反射系数小于-10dB的频率范围是2.38-2.49GHz。轴比小于3dB的范围是2.37-2.50GHz。差分反射系数和轴比带宽都覆盖了2.45GHz–ISM频段(2.40-2.48GHz)。
如图4(a)～图4(b)所示，当所述天线植入人体皮肤模型中，所述天线在2.45GHz频点时在两个主平面的辐射方向图。在此频率下，天线辐射的最大增益是-22.7dBi。如图4(a)所示，xoz平面在±30°内的交叉极化比大于25dB，如图4(b)所示，xoy平面在±30°内的交叉极化比大于15dB。在主平面上天线的左旋极化比右旋极化大于15dB，说明天线具有较好的交叉极化比。
该天线采用中心开槽及地板开槽，使电流有效路径延长；长度不同的对称开缝及中心开槽上切角能激发圆极化；此外，差分馈电结构能抑制共模信号，且便于连接射频集成电路输入/输出。
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 (5)
1.一种工作于ISM频段的差分馈电植入式圆极化天线，其特征在于，包括上、下层介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，所述天线辐射单元位于两层介质基板中间，所述地板位于下层介质基板的下方，所述对称同轴包括右上同轴及左下同轴，所述右上同轴及左下同轴位于天线辐射单元的对角线上，且关于介质基板中心对称；
所述天线辐射单元由正方形贴片构成，所述正方形贴片具有四条开缝，所述正方形贴片中心开槽；
所述正方形贴片中心开槽由带一对三角形切角的正方形切槽构成，所述正方形切槽边长是3.5mm，所述三角形切角平行边长是1mm，竖直边长是1.75mm。
2.根据权利要求1所述的差分馈电植入式圆极化天线，其特征在于，所述正方形贴片中心开槽为正方形，所述四条开缝包括右上、左下、左上及右下开缝，所述右上及左下开缝关于正方形贴片中心对称，所述左上及右下开缝关于正方形贴片中心对称。
3.根据权利要求2所述的差分馈电植入式圆极化天线，其特征在于，所述右上、左下、左上及右下开缝的形状均为矩形，所述矩形宽度相同，都是0.4mm。
4.根据权利要求2所述的差分馈电植入式圆极化天线，其特征在于，所述右上及左下开缝比左上及右下开缝的长度长，具体为，右上及左下开缝的长度是6.2mm，左上及右下开缝的长度是3.75mm。
5.根据权利要求1所述的差分馈电植入式圆极化天线，其特征在于，所述地板为正方形，所述地板中心具有十字型开槽，所述十字型开槽具体是，在地板的两条对角线上开有垂直正交的两条矩形开缝，所述两条矩形开缝的长度均为5mm，宽度均为1.1mm。
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