CN105390808B - 一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线，包括天线辐射单元、金属地板、介质基板、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，所述金属地板位于介质基板的下表面，所述天线辐射单元由双环结构及四个等腰三角形构成，双环结构为具有一条公共边的两个对称准六边形环构成，四个等腰三角形包括两个分别位于准六边形环环内的等腰三角形及两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形。本发明具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在双模式下以节省功耗、生物相容性等优点，适用于生物医学领域。

Description

一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线
技术领域
本发明涉及远程医疗领域，具体涉及一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线。
背景技术
随着人们生活水平的提高，医疗救治以及健康监护等问题受到了越来越多的关注。在医学诊断和远程监护中，植入式天线成为了数据传输系统核心部件之一，天线性能的好坏将直接影响整个医疗过程的实施和诊断的准确性。由于植入式天线工作环境的复杂性，天线设计需要考虑许多因素，比如人体组织的有耗色散特性、植入部位空间受限、生物相容性等要求、电磁辐射安全性以及天线辐射对人体的温度变化等。一般的单端口馈电需要引入匹配网络，这不仅使得天线的体积变大也会引入匹配损耗，而差分馈电方式采用相位差180度的双端口对天线直接馈电，对于植入式天线的小型化和抗干扰有很大的作用。圆极化特性在消除多径干扰效应，减少极化失配造成的损耗有独特的优势，同时减少了对天线位置放置和对准的要求。因此，差分馈电、圆极化天线特别适用于人体的应用环境。双频天线在生物医学遥测中的应用目的是使植入设备通过在正常的通信模式下增加一个睡眠及唤醒模式来节省功耗，因此双频天线在未来的医疗设备实际使用中具有较大的前景。
目前植入人体的天线技术中，大多数设计为仅具有单一特性的天线，比如双频天线、圆极化天线或差分馈电天线，单一功能的天线难以应对植入人体内部复杂多变的应用环境要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供小尺寸、易与IC电路集成、抗极化失配的一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线。
本发明采用如下技术方案：
一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线，包括天线辐射单元、金属地板、介质基板、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，所述金属地板位于介质基板的下表面，所述天线辐射单元由双环结构及四个等腰三角形构成。
所述双环结构由具有一条公共边的两个准六边形环构成，两个准六边形环位于介质基板上表面的左侧及右侧，且关于天线辐射单元中心点对称。
所述四个等腰三角形包括两个分别位于准六边形环环内的等腰三角形及两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形。
所述两个位于准六边形环环内的等腰三角形通过环内嵌入式高阻抗线连接到准六边形环上；
所述两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形通过环外高阻抗线连接到双环上。
还包括四个微扰开槽缝隙，两两一组，分别位于准六边形环环内的等腰三角形，且关于天线辐射单元中心对称。
所述同轴馈电结构由两个馈电相位相差180度的50Ω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薄膜层构成，厚度为0.02mm。
所述准六边形环公共边的宽度为0.7mm，其他边的宽度为1mm。
本发明的有益效果：
本发明对双环结构微带天线进行差分馈电产生了双频段覆盖，通过加载两环内等腰三角形贴片和两环外等腰三角形贴片实现了天线的小型化，使得天线能够在ISM 915MHz和ISM 2.45GHz两频段工作，同时获得了圆极化的特性和高增益的性能。
本发明差分馈电双频圆极化天线具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在双频模式下以节省功耗、生物相容性等优点，能同时解决目前天线植入人体所面对的多种问题，改变了现有植入人体天线功能过于单一的现状。
附图说明
图1(a)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线的俯视图；
图1(b)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线的侧视图；
图2是本发明本实施例一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线的参数图；
图3(a)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线在915MHz时单层人体皮肤组织模型中的反射系数和轴比仿真图；
图3(b)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线在2.45GHz时单层人体皮肤组织模型中的反射系数和轴比仿真图；
图4(a)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线在915MHz时单层人体皮肤组织模型中的2-D方向图；
图4(b)是本发明一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线在2.45GHz时单层人体皮肤组织模型中的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)及图1(b)所示，一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线，包括天线辐射单元2、金属地板10、介质基板1、同轴馈电结构9A、9B及生物相容镀膜结构，所述天线辐射单元2位于介质基板1的上表面，所述金属地板10位于介质基板1的下表面，所述天线辐射单元2由双环结构3及四个等腰三角形4A、4B、6A、6B构成。
所述双环结构由具有一条公共边的两个对称准六边形环构成，两个准六边形环位于介质基板上表面的左侧及右侧，且关于天线辐射单元中心点对称。
所述准六边形环公共边的宽度W2为0.7mm，其他非公共边的宽度W1为1mm。
所述四个等腰三角形包括两个分别位于准六边形环环内的等腰三角形4A、4B及两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形6A、6B，具体位于准六边形环外侧。
所述两环内等腰三角形贴片各自通过一条环内嵌入式高阻抗线5A-5B连接到准六边形环上，所述环内嵌入式高阻抗线的一端连接着双环，另一端嵌入并连接到环内等腰三角形上，所述环内嵌入式高阻抗线的宽度为0.4mm，所述环外两等腰三角形贴片各自通过一条环外高阻抗线7A-7B连接到双环上，所述环外高阻抗线的一端连接着双环，另一端直接连接到环外等腰三角形上，所述环外高阻抗线的宽度为0.3mm。
所述两环内等腰三角形贴片一共有四个微扰开槽缝隙8A-8D，两两一组，分别位于准六边形环环内的等腰三角形，且关于天线辐射单元中心对称，本实施例为矩形，对高频段的圆极化性能具有调节和优化功能。
本发明包括生物相容镀膜结构，所述生物相容镀膜结构由包裹着整个天线的薄膜层构成，所述薄膜层采用氧化铝(alumina)材料，其相对介电常数为9.2，电损耗角正切为0.008，厚度为0.02mm，使得天线具有与人体辐射匹配、生物相容性，并对人体组织具有隔离和绝缘的作用。
如图2所示，本实施例中，所述介质基板采用高介电常数材料RO3010,其相对介电常数为10.2，电损耗角正切为0.0035，介质基板的长为18mm，宽为9mm，厚度H为0.635mm，所述天线辐射单元和所述金属接地贴片的总体轮廓都为一矩形，长L为17.5mm，宽W为8.5mm。所述差分馈电同轴激励是通过对称的两个同轴端口9A、9B对天线辐射单元进行激励，两端口位置关于中心对称。
本发明包括生物相容镀膜结构，所述生物相容镀膜结构由包裹着整个天线的薄膜层构成，所述薄膜层采用氧化铝(alumina)材料，其相对介电常数为9.2，电损耗角正切为0.008，厚度为0.02mm，使得天线具有与人体辐射匹配、生物相容性，并对人体组织具有隔离和绝缘的作用。
如图2所示，具体的参数为两环内等腰三角形的底边长：L1＝5.2mm，高度：H1＝6.6mm，两环外等腰三角形的底边长：L2＝10mm，高度：H2＝2.8mm，环内嵌入式高阻抗线的长度：L4＝4.5mm，宽度：S1＝0.4mm，微扰开槽缝隙的长度：L3＝1.2mm，宽度：S3＝0.6mm，双环转折处靠近介质基板边缘的直线段长度为：L5＝1.5mm，同轴电缆内芯半径为0.4mm。
如图3(a)～图3(b)和图4(a)～图4(b)所示，本发明采用差分馈电，通过将两环内等腰三角形和两环外等腰三角形加载到双环结构上，产生慢波效应，达到小型化的目的，实现了双频圆极化。本发明实现双频段覆盖，即工作于工业、科学、医学频段(ISM频段：902-928MHz和2.4-2.48GHz)，使得植入人体的天线可以工作在双模式下，其中915MHz频段用于数据传输，2.45GHz用于睡眠唤醒以节省功耗。
该天线具有小型化、易集成、低剖面、高增益、抗干扰、可工作在双频模式下以节省功耗、生物相容性等优点。
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)

1.一种用于生物医学遥测的差分馈电双频圆极化天线，其特征在于，包括天线辐射单元、金属地板、介质基板、同轴馈电结构及生物相容镀膜结构，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，所述金属地板位于介质基板的下表面，所述天线辐射单元由双环结构及四个等腰三角形构成；
所述双环结构由具有一条公共边的两个准六边形环构成，两个准六边形环位于介质基板上表面的左侧及右侧，且关于天线辐射单元中心点对称；
所述四个等腰三角形包括两个分别位于准六边形环环内的等腰三角形及两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形；
所述两个位于准六边形环环内的等腰三角形通过环内嵌入式高阻抗线连接到准六边形环上；
所述两个位于介质基板上、下位置的等腰三角形通过环外高阻抗线连接到双环上。
2.根据权利要求1所述的差分馈电双频圆极化天线，其特征在于，还包括四个微扰开槽缝隙，两两一组，分别位于准六边形环环内的等腰三角形，且关于天线辐射单元中心对称。
3.根据权利要求1所述的差分馈电双频圆极化天线，其特征在于，所述同轴馈电结构由两个馈电相位相差180度的50Ω同轴电缆构成，所述同轴电缆内芯半径为0.4mm。
4.根据权利要求1所述的差分馈电双频圆极化天线，其特征在于，所述生物相容镀膜结构由包裹整个天线的薄膜层构成，厚度为0.02mm。
5.根据权利要求2所述的差分馈电双频圆极化天线，其特征在于，所述准六边形环公共边的宽度为0.7mm，其他边的宽度为1mm。
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