CN105826674B - 微带天线及应用该微带天线的植入式医疗器械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带天线，其辐射片的外侧为弧线，内侧包含一个中心槽、一条矩形槽和n条弧形槽；矩形槽连接中心槽和辐射片的外侧；弧形槽位于中心槽与外侧弧线之间；第一条弧形槽的始端与末端均与矩形槽连接，第二条弧形槽始端与矩形槽连接，第三条弧形槽末端与矩形槽连接，第四条弧形槽始端与矩形槽连接，以此类推；n为自然数且≥2。该微带天线的辐射面积大，有利于提高增益；采用弧形开槽结构，电流路径更长，谐振频率更小，有利于缩小天线尺寸。第一条弧形槽将辐射片分为内环和外环，内环与外环相互耦合能产生双谐振，从而显著增加微带天线的带宽。以上述微带天线为植入天线的植入式医疗器械，具有较宽的带宽，和较小的尺寸。

Description

微带天线及应用该微带天线的植入式医疗器械

技术领域

本发明涉及一种微带天线，还涉及应用该微带天线的植入式医疗器械。

背景技术

在远程医疗系统中，通过植入天线将采集的数据发射出去，通过体外天线接收数据以监测人体的健康状况。因而植入天线是远程医疗系统中的关键部件。它的应用领域之一是植入式医疗器械。人体内部的植入天线面临许多挑战，如：小型化、能量消耗、生物兼容性和安全性等。其中带宽决定天线植入人体或动物组织后能否因频偏影响而正常工作，小型化则决定天线植入人体或动物组织后人体或动物的舒适度，因而设计新型小型化的宽带植入天线具有十分重要的意义。

微带植入天线是一种应用较为广泛的植入天线，一般包括介质基板以及附着在介质基板正面的金属辐射片，其中，平面倒F型的金属辐射片因其低侧面、全向的远场辐射方向以及比传统微带天线小得多的尺寸等优点，已经引起许多科研团队的兴趣。当前，具有单层金属辐射片的微带植入天线的尺寸普遍较大，需要进一步缩减。吴昊等人在《一种新型MICS频段可植入天线的设计》一文中提出一种具有三层平面倒F结构的微带植入天线，有效地减小了微带植入天线的平面尺寸。然而，使用层叠辐射片的微带植入天线虽然有较小的平面尺寸，但往往具有更大的厚度和更复杂的结构。其次，该天线的带宽约为25MHz，很容易因人体组织电性能参数的变化而影响植入式医疗器械的正常工作。因此，需要设计一些新型的小型化宽带微带植入天线来满足植入式医疗器械的性能指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带、小尺寸、高性能的应用于植入式医疗器械的微带天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，微带天线，包括辐射片和介质基板，所述辐射片位于介质基板的正面，所述辐射片的外侧为弧线，内侧包含一个中心槽、一条矩形槽和n条弧形槽；矩形槽连接中心槽和辐射片的外侧弧线；弧形槽位于中心槽与辐射片的外侧弧线之间；第一条弧形槽的始端与末端均与矩形槽连接，第二条弧形槽始端与矩形槽连接，第三条弧形槽末端与矩形槽连接，第四条弧形槽始端与矩形槽连接，以此类推；n为自然数且≥2。

本发明的辐射片的外侧为弧线，可以在有限空间获得较大的辐射面积，有利于提高天线的增益，并可以根据不同的使用环境和装配空间选择不同的弧线形状。所述微带天线采用弧形开槽结构，较传统的直线开槽结构具有更长的电流路径，谐振频率更小，有利于缩小微带天线尺寸。第一条弧形槽的始端和末端均与矩形槽连接，从而将辐射片分为内环(第一条弧形槽与中心槽之间)和外环(第一条弧形槽与外侧弧线之间)，内环与外环相互耦合能产生双谐振，从而显著增加微带天线的带宽。第二条弧形槽至第n条弧形槽中的每一条都有一端与矩形槽相连，形成交错的开口结构，使n-1条弧形槽将内环或外环分成首尾相连的n条条带，极大地延长了电流路径，天线的谐振频率大大降低，对于设定的微带天线尺寸，工作频率更宽。

进一步，所述弧线为圆弧线或椭圆弧线；或为圆弧线、椭圆弧线、抛物弧线、双曲弧线中任意几种的结合。上述弧线的边沿光滑、结构简单、加工容易，且边沿效应小、反射较小。

进一步，所述弧形槽为与所述圆弧线同心的圆弧形槽，或与所述椭圆弧线同轴的椭圆弧形槽。这样设置的目的是使所得微带天线的开槽分布更均匀，电流路径更长，电流密度的均匀性显著提高。

进一步，所述矩形槽与所述圆弧线的半径重合，或与所述椭圆弧线的轴重合。这样设置的目的是使首尾相连的n条条带中每条条带中的局部宽度一致，电流密度更均匀。

进一步，所述中心槽为与所述圆弧线同心的圆形槽或与所述椭圆弧线同轴的椭圆形槽。这样设置的目的是使中心槽与弧形槽之间的宽度保持一致，电流密度更均匀。

进一步，所述n条弧形槽的宽度和/或间隔相等，有利于调节微带天线的谐振频率，对于相同的谐振频率，弧形槽越多，对应的天线尺寸缩减越大。采用宽度和间隔都相等的弧形槽，不仅可以充分利用辐射片的面积，布置更多的弧形槽，使电流路径更长，还可以简化制造工艺，降低生产成本。

进一步，所述天线还包括接地面、短路线和短路点，接地面位于介质基板的背面，短路线连接接地面并穿过介质基板与辐射片上的短路点连接。增加接地面可以改善天线性能，满足一些特殊用途的需要，扩大天线的应用领域。短路线能够进一步降低天线尺寸，并有利于调整馈电阻抗。

进一步，所述辐射片包括两个短路点，一个位于外环，另一个位于内环。当靠近外侧弧线的弧形槽为第一条弧形槽时，外环的短路点的作用是缩短外环的长度，内环的短路点的作用是使整个天线成为倒F结构，使微带天线具有低侧面、全向的远场辐射方向以及比传统微带天线小得多的尺寸等优点，此时，内环的短路点可位于内环的任意条带上，通过调节短路点与馈电点的相对位置，能优化微带天线的尺寸、回波损耗和阻抗匹配。当靠近中心槽的弧形槽为第一条弧形槽时，两个短路点的作用则与上述描述相反。

进一步，所述天线还包括覆盖辐射片的介质加载层。介质加载层覆盖在辐射片的表面，可以隔离辐射片，特别适合于制备微带植入天线，用于动物或人体组织中，并且通过选择不同的介质，还可以调整天线参数，如谐振频率等。

进一步，所述天线还包括馈电探针和馈电点，馈电探针由内部的芯线、外部的金属薄层以及中间的绝缘层组成，馈电探针穿过接地面以及介质基板，最终与辐射片上的馈电点相连，金属薄层与接地面连接。通过调节馈电点和短路点的相对位置，可以调节微带天线的阻抗匹配。馈电点位于具有首尾相连的n条条带的环上(内环或外环)，外环与内环通过电磁耦合进行馈电。进一步，所述馈电探针为差分馈电铜柱。

植入式医疗器械是指通过外科手术或内科方法，部分或整体地植入人体体内的医疗器械；或指通过吞入方式进入自然口腔，收集和传输体内的生理数据。植入体内的植入式医疗器械将检测到的患者数据通过植入天线传输给外部服务器，医生则根据外部服务器的数据报告来获取患者的状态。因此，传输数据的植入天线具有非常重要的作用。以上述微带天线置于植入式医疗器械中，具有更小的尺寸和更宽的工作频率。

附图说明

图1为实施例1的微带天线的结构示意图(未示出介质加载层)。

图2为实施例1的微带天线的A-A向剖视图(示出介质加载层)。

图3为实施例2的微带天线的结构示意图(未示出介质加载层)。

图4为实施例3的微带天线的结构示意图(未示出介质加载层)。

图5为实施例4的微带天线的结构示意图(未示出介质加载层)。

其中，1为辐射片；11为中心槽；12为矩形槽；13为弧形槽；2为介质基板；3为馈电点；30为馈电探针；4为短路点；40为短路线；5为介质加载层；6为接地面。

具体实施方式

实施例1

从图1可以看出，辐射片1的外侧为圆弧线，半径为6.6mm，内侧包含一个中心槽11、一条矩形槽12和2条圆弧形槽13。中心槽11和2条圆弧形槽13与圆弧线同心，中心槽11为圆形槽。矩形槽12连接中心槽11和辐射片1的外侧圆弧线并与圆弧线的半径重合；其中，第一条圆弧形槽13始端和末端均与矩形槽12连接，第二条圆弧形槽13始端与矩形槽12连接；第一条弧形槽13(靠近外侧圆弧线的弧形槽)将辐射片分为内环和外环，内环与外环相互耦合能产生双谐振，从而显著增加微带天线的带宽。第二条弧形槽13将内环分为2根宽度相等、首尾相连的弧形条带，形成蜿蜒曲折的电流路径，大大降低了辐射片1的谐振频率，使微带天线的尺寸大大降低。两条圆弧形槽13的宽度均为0.3mm；弧形条带宽度均为1.7mm。

如图2所示，该微带天线由上述辐射片1、介质基板2、馈电探针30、短路线40、介质加载层5、接地面6组成。辐射片1位于介质基板2的正面，介质基板2的面积略大于辐射片1的面积。接地面6位于介质基板2的背面，接地面6为金属涂覆层，并通过短路线40与辐射片1上的短路点4处。外环的短路点4的中心距辐射片1的中心5.96mm，距矩形槽0.87mm；内环的短路点4的中心距辐射片1的中心2.5mm，距矩形槽0.87mm。介质基板2和介质加载层5采用Rogers 6010，相对介电常数为10.2，厚为0.635mm，损耗角正切值为0.003。馈电探针30由内部的芯线、外部的金属薄层以及中间的绝缘层组成，馈电探针30具体为差分馈电铜柱，其电阻为50Ω，馈电探针30穿过接地面6以及介质基板2，最终其芯线连接在辐射片1上的馈电点3处，金属薄层与接地面6连接。馈电点3的中心距辐射片中心4.27mm，距外侧圆弧线2.35mm。

微带天线的仿真模型为人体皮肤组织，该模型能近似模拟人体皮肤的电性质，在402MHz时的相对介电常数为46.74，电导率为0.69S/m。仿真模型的上边界面与微带天线相距3mm,其它边界面与微带天线相距40mm，经测试微带天线的仿真与测试的回波损耗可知，微带天线的差分反射系数在MICS频段(402-405MHz)内都小于-10dB，微带天线都能覆盖的频率范围为385-440MHz，具有55MHz的带宽。经测试微带天线在402MHz时的三维远场增益方向可知，其峰值增益为-32.9dBi，能实现全向的辐射方向，具有较宽的通信范围。

实施例2

如图3所示，本实施例的微带天线与实施例1所述微带天线的主要区别在于弧形条带宽度不相同，其中，内环的弧形条带宽度均为1.7mm，外环的弧形条带的宽度为1.5mm。中心槽11、矩形槽12和圆弧形槽13的连接方式见图3。对应的微带天线结构参见实施例1中的对图2的描述，经测试，该微带天线的性能良好，此不再赘述。

实施例3

如图4所述，辐射片1的外侧为椭圆弧线，内侧包含一个中心槽11、一条矩形槽12和3条椭圆弧形槽13。中心槽11和3条椭圆弧形槽13与椭圆弧线同轴且同心，中心槽11为椭圆形槽。矩形槽12与椭圆弧线的短轴重合。其中，其中，第一条圆弧形槽13始端和末端均与矩形槽12连接，第二条圆弧形槽13始端与矩形槽12连接，第三条弧形槽13末端与矩形槽连接；三条椭圆弧形槽13的宽度均为0.3mm；弧形条带宽度均为1.7mm。与实施例1相比，内环的辐射片具有更长的电流路径。对应的微带天线结构参见实施例1中的对图2的描述，经测试，该微带天线的性能良好，此不再赘述。

实施例4

如图5所述，辐射片1的外侧由圆弧线AMB和椭圆弧线ANB组成，AB为圆弧线AMB的直径及椭圆弧线ANB的短轴，内侧包含一个中心槽11、一条矩形槽12和2条弧形槽13。中心槽11和2条弧形槽13与椭圆弧线ANB同轴且与圆弧线AMB同心。中心槽11一半为与圆弧线AMB同心的半圆形槽，一半为与椭圆弧线ANB同轴的半椭圆形槽。矩形槽12与圆弧线AMB的半径及椭圆弧线ANB的长轴重合。两条弧形槽13的宽度均为0.3mm；弧形条带宽度均为1.7mm。中心槽11、矩形槽12和弧形槽13的连接方式见图5。对应的微带天线结构参见实施例1中的对图2的描述，经测试，该微带天线的性能良好，此不再赘述。

本发明提供的微带天线的尺寸小，电流路径长，谐振频率小，辐射面积和辐射方向广，工作频率宽，形状可以根据具体需求做调整。应用于植入式医疗器械时，能有效减小医疗器械的尺寸，实现小型化目的，而且在MICS频段(402-405MHz)内的回波损耗都小于-10dB，能实现全覆盖，因此完全可以替代现有植入式医疗器械的通信天线。

Claims (10)

1.微带天线，包括辐射片(1)和介质基板(2)，所述辐射片(1)位于介质基板(2)的正面，其特征在于：所述辐射片(1)的外侧为弧线，内侧包含一个中心槽(11)、一条矩形槽(12)和n条弧形槽(13)；矩形槽(12)连接中心槽(11)和辐射片(1)的外侧弧线；弧形槽(13)位于中心槽(11)与辐射片(1)的外侧弧线之间；第一条弧形槽(13)的始端与末端均与矩形槽(12)连接，第二条弧形槽(13)始端与矩形槽(11)连接，第三条弧形槽(13)末端与矩形槽(12)连接，第四条弧形槽(13)始端与矩形槽(12)连接，以此类推；n为自然数且≥2。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述弧线为圆弧线和/或椭圆弧线。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于：所述弧形槽(13)为与所述圆弧线同心的圆弧形槽，或与所述椭圆弧线同轴的椭圆弧形槽。

4.如权利要求2或3所述的天线，其特征在于：所述矩形槽(12)与所述圆弧线的半径重合，或与所述椭圆弧线的轴重合；所述中心槽(11)为与所述圆弧线同心的圆形槽或与所述椭圆弧线同轴的椭圆形槽。

5.如权利要求1-3任一项所述的天线，其特征在于：所述n条弧形槽(13)的宽度和/或间隔相等。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述天线还包括接地面(6)、短路线(40)和短路点(4)，接地面(6)位于介质基板(2)的背面，短路线(40)连接接地面(6)并穿过介质基板(2)与辐射片(1)上的短路点(4)连接。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于：所述辐射片(1)包括两个短路点(4)，一个位于第一条弧形槽(13)与外侧弧线之间，一个位于第一条弧形槽(13)与中心槽(11)之间。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述天线还包括覆盖辐射片(1)的介质加载层(5)。

9.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述天线还包括馈电探针(30)和馈电点(3)，所述馈电探针(30)穿过接地面(6)以及介质基板(2)，最终馈电探针(30)的芯线与辐射片(1)上的馈电点(3)相连。

10.植入式医疗器械，包括植入天线，其特征在于：所述植入天线为权利要求1-9任一项所述的微带天线。