CN105846072B - 一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线，包括天线辐射单元、金属地板及介质基板，所述天线辐射单元印制在介质基板的上表面，所述金属地板印制在介质基板的下表面，所述天线辐射单元包括正方形金属贴片及开槽结构，所述开槽结构位于正方形金属贴片上。本发明具有小型化、低剖面、高增益、抗干扰、具有宽轴比波束和宽半功率波束、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宽轴比波束圆极化天线
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宽轴比波束圆极化天线。
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、电磁辐射安全性以及天线辐射对人体的温度变化等。单端口馈电相对于双端口或多端口馈电来说，具有结构紧凑和小型化的优点。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，若能实现宽轴比波束的圆极化，则能更好地减少对天线位置放置和对准的要求，因此，宽轴比波束圆极化天线特别适用于人体的应用环境。
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、差分馈电天线或圆极化天线，而大多数圆极化天线轴比波束较窄，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、抗极化失配、具有宽轴比波束和宽半功率波束的可应用于生物医学遥测的圆极化天线。
本发明采用如下技术：
一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线，包括天线辐射单元、金属地板及介质基板，所述天线辐射单元印制在介质基板的上表面，所述金属地板印制在介质基板的下表面，所述天线辐射单元包括正方形金属贴片及开槽结构，所述开槽结构位于正方形金属贴片上。
所述开槽结构包括两条相互垂直的主缝隙及微扰单元，两条主缝隙分别位于正方形金属贴片的对角线上，其中一条主缝隙的两端分别延伸出两条延伸缝隙，且在该缝隙的两端形成箭头结构，所述微扰单元具体为四个，微扰单元设置在延伸缝隙的末端。
所述微扰单元为平行四边形。
还包括两个短路探针，所述两个短路探针关于天线辐射单元中心点对称，还包括同轴馈电端口，所述同轴馈电端口与其中一个短路探针关于天线辐射单元的一条对角线对称。
还包括生物相容薄膜结构。
两条相互垂直的主缝隙长度为14.8mm，宽度为0.4mm,延伸缝隙的长度为10.3mm，宽度为0.4mm。
本发明的有益效果：
(1)本发明具有小型化、宽轴比及宽带圆极化的特点，并且用于生物医学遥测的植入式天线；
(2)本发明采用方形金属贴片加载两个互相垂直的主缝隙的结构，实现了小型化，同时在关于天线辐射贴片中心点对称放置两个短路探针，产生了邻近的两个谐振频率，形成了宽带化；
(3)本发明通过对其中一条主缝隙进行延长，使两条缝隙形成不等长的结构，使得基本的谐振模式分离为两个空间正交、相位相差90度的两个正交模式，形成了圆极化辐射特性，同时获得了宽的轴比波束和宽的半功率波束的性能，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宽轴比波束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宽轴比波束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宽轴比波束圆极化天线的参数图；
图3是本发明一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线在单层人体皮肤组织模型中的反射系数和轴比仿真图；
图4是本发明一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线在中心频率为915MHz时单层人体皮肤组织模型中的轴比方向图；
图5是本发明一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线在中心频率为915MHz时单层人体皮肤组织模型中的增益方向图。
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
图1(a)及图1(b)所示，一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线，包括天线辐射单元2、金属地板7、介质基板1、短路探针4A、4B、同轴馈电端口5及生物相容薄膜结构。
所述天线辐射单元印制在介质基板的上表面，所述金属地板印制在介质基板的下表面，所述同轴馈电端口通过单个50Ω同轴电缆馈电，所述同轴电缆内芯半径为0.4mm，所述生物相容薄膜结构由包裹整个天线的薄层介质构成，所述镀膜结构的厚度为0.02mm。
所述天线辐射单元包括正方形金属贴片及开槽结构，所述开槽结构包括两条相互垂直的主缝隙构成3A、3B，所述两条主缝隙分别位于正方形金属贴片的对角线上，本实施例中，位于副对角线上的主缝隙3B的两个末端分别延伸出两条延伸缝隙，且在该主缝隙的两端形成箭头结构，所述微扰单元具体为四个6A-6D，均为平行四边形结构，每个微扰单元位于延伸缝隙的末端，平行四边形的底边长为1.1mm,高H3为1.2mm。所述互相垂直的主缝隙长度为14.8mm，宽度为0.4mm。所述延伸缝隙长度为10.3mm,宽度为0.4mm。
本实施例中将正方形金属贴片与水平面的夹角为锐角的对角线称为副对角线，另一条为主对角线。
两个短路探针4A、4B，所述两个短路探针关于天线辐射单元中心点对称，所述同轴馈电端口与其中一个短路探针关于副对角线对称。
金属地板为正方形，变成为13mm。
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13mm，宽为13mm，厚度H为0.635mm。所述同轴馈电端口关于一个短路探针4B关于天线辐射贴片的副对角线对称。
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，具体的参数为介质基板为单层，其长度：L＝13mm，宽度：W＝13mm，主缝隙宽度和延长线宽度都为：W1＝0.4mm，两条主缝隙长度均为：L1＝14.8mm，副对角线上主缝隙的延长线长度：L2＝10.3mm，辐射贴片边缘与介质基板边缘相距：Gap＝0.5mm。同轴电缆内芯半径为0.4mm，短路探针的半径为0.45mm。
本发明提供一种小型化、宽轴比波束、宽带圆极化的用于生物医学遥测的植入式天线。对方形金属贴片加载两个互相垂直的主缝隙，实现了小型化。同时在关于天线辐射贴片中心点对称放置两个短路探针，产生了邻近的两个谐振频率，形成了宽带化。通过对副对角线上的主缝隙进行延长，所述开槽结构形成两个不等长的缝隙结构，使得基本的谐振模式分离为两个空间正交、相位相差90度的两个正交模式，形成了圆极化辐射特性，同时获得了宽的轴比波束和宽的半功率波束的性能。
本实施例中微扰单元的位置不限于附图1中所示位置，可以根据实际情况进行调整。
如图3、图4和图5所示，本发明采用对方形金属贴片加载两个互相垂直的主缝隙，实现了小型化的目的，同时在关于天线辐射贴片中心点对称放置两个短路探针，产生了邻近的两个谐振频率，形成了宽带化。通过对副对角线上的主缝隙进行延长，所述开槽结构形成两个不等长的缝隙结构，使得基本的谐振模式分离为两个空间正交、相位相差90度的两个正交模式，形成了圆极化辐射特性，同时获得了宽的轴比波束和宽的半功率波束的性能。本发明实现ISM 915MHz频段覆盖，即工作于工业、科学、医学频段(902-928MHz),使得植入式天线可以消除多径干扰效应、减少极化失配造成的损耗以及更好地减少对天线位置放置和对准的要求。
该天线具有小型化、低剖面、高增益、抗干扰、具有宽轴比波束和宽半功率波束、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 (4)

1.一种用于生物医学遥测的宽轴比波束圆极化天线，其特征在于，包括天线辐射单元、金属地板及介质基板，所述天线辐射单元印制在介质基板的上表面，所述金属地板印制在介质基板的下表面，所述天线辐射单元包括正方形金属贴片及开槽结构，所述开槽结构位于正方形金属贴片上；
所述开槽结构包括两条相互垂直的主缝隙及微扰单元，两条主缝隙分别位于正方形金属贴片的对角线上，其中一条主缝隙的两端分别延伸出两条延伸缝隙，且在该缝隙的两端形成箭头结构，所述微扰单元具体为四个，微扰单元设置在延伸缝隙的末端；
还包括两个短路探针，所述两个短路探针关于天线辐射单元中心点对称；还包括同轴馈电端口，所述同轴馈电端口与其中一个短路探针关于天线辐射单元的一条对角线对称。
2.根据权利要求1所述的宽轴比波束圆极化天线，其特征在于，所述微扰单元为平行四边形。
3.根据权利要求1所述的宽轴比波束圆极化天线，其特征在于，还包括生物相容薄膜结构。
4.根据权利要求1所述的宽轴比波束圆极化天线，其特征在于，两条相互垂直的主缝隙长度为14.8mm，宽度为0.4mm,延伸缝隙的长度为10.3mm，宽度为0.4mm。
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