CN106252842A - 一种增益天线及通信系统 - Google Patents

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李生辉
卢小冬
刘昱
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Abstract

一种增益天线及通信系统，所述增益天线包括：LC串联谐振电路，用来与阅读器通信，所述LC串联谐振电路具有串联的第一电感ls与第一电容Cs；LC并联谐振电路，与所述LC串联谐振电路串联，用来与植入式生物传感标签通信，所述LC并联谐振电路具有并联的第二电感lp与第二电容Cp，所述增益天线用于增加阅读器和植入式生物传感标签的通信距离。

Description

一种增益天线及通信系统
技术领域
本发明涉及生物传感技术领域，具体涉及一种访问植入式生物传感标签的增益天线及通信系统。
背景技术
近年来，植入式传感器在生物体监控、诊断、治疗等方面发挥着重要的作用。如心率、血压、眼内压、颅内压等生理指标的长期监测都广泛使用植入式传感器。这种植入式传感器的设计基本上都是无源的，它们无需电源，以免使人体在传感器电源的频繁更换时带来极大的痛苦，而且可以避免创口的感染。但是这样在植入式生物传感领域带来了一个重要的挑战：体外部设备怎样能够高效长久可靠地给传感器供电和与之通信。
通常采用的技术是RFID磁耦合的方式，通信频率一般选为13.56MHz。在植入式生物传感标签装置中设置有线圈，该线圈通过磁耦合与外置的阅读器的天线来进行通信和能量的传输。由于植入式生物传感标签的尺寸限制，例如在眼内压的持续测量，通常植入式生物传感标签只有几个平方毫米。这样，阅读器的天线和植入式生物传感标签的线圈之间尺寸相差很大，且位置不易吻合，导致它们之间的耦合系数很小，继而导致阅读器的天线和植入式生物传感标签的线圈之间的通信距离只有1-2mm左右，通信的质量和可靠性难以得到保证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种访问植入式生物传感标签的增益天线及系统。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种增益天线。所述增益天线包括：LC串联谐振电路，用来与阅读器通信，所述LC串联谐振电路具有串联的第一电感ls与第一电容Cs；LC并联谐振电路，与所述LC串联谐振电路串联，用来与植入式生物传感标签通信，所述LC并联谐振电路具有并联的第二电感lp与第二电容Cp。
根据本发明的另一个方面，提供一种通信系统。该通信系统包括增益天线、阅读器和植入式生物传感标签，所述增益天线用于所述阅读器和植入式生物传感标签之间的通信中继。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)增益天线中的第一电感ls的尺寸与磁耦合阅读器的天线的尺寸相匹配，第二电感lp的尺寸与植入式生物传感标签的尺寸相匹配，使得增益天线可以同时与磁耦合阅读器和植入式生物传感标签进行很好的耦合，起到了通信中继站的作用，明显增加通信距离；
(2)增益天线采用柔软PCB设计，可以方便地像药膏一样贴在植入人体植入部位区域皮肤的表面，便于使用。
附图说明
图1为本发明实施例增益天线的结构示意图；
图2采用图1中增益天线的系统的结构示意图；
图3为图1中增益天线实际设计时的布线图。
【主要元件】
1-增益天线；2-阅读器；3-植入式生物传感标签。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供一种访问植入式生物传感标签的增益天线，如图1所示，其有一LC串联谐振电路和一LC并联谐振电路串联而成，具体的第一电感ls与第一电容Cs串联构成所述LC串联谐振电路，第二电感lp与第二电容Cp并联构成所述LC并联谐振电路，第二电容Cp的两端分别与第一电感ls与第一电容Cs的非串联端电连接，使得所述LC串联谐振电路和所述LC并联谐振电路串联，图1中第一电阻Rs和第二电阻Rp分别是第一电感ls与第二电感lp的寄生电阻。
其中，LC串联谐振电路的谐振频率fs与LC并联谐振电路的谐振频率fp相同，即fs＝fp，其中
本发明实施例还提供一种通信系统，如图2所示，包括上述的增益天线1，还包括阅读器2及植入式生物传感器标签3。
增益天线1中的第一电感ls与阅读器的天线的耦合，增益天线1中的第二电感lp与植入式生物传感标签的耦合，增益天线1用作阅读器2和植入式生物传感标签3之间的通信中继站，增加通信距离。
其中第二电感lp的尺寸与植入式生物传感标签3尺寸相仿，第二电感lp与植入式生物传感标签3的耦合系数为K2，第一电感ls与阅读器1的天线尺寸相仿，第一电感ls与阅读器1的天线的耦合系数为K1，植入式生物传感标签3与阅读器2的天线的耦合系数为K3，阅读器2的天线的尺寸远大于的尺寸，耦合系数K与相互耦合的两天线或线圈的尺寸相关，若两天线或线圈的尺寸相近，则耦合系数K较大，若两天线或线圈的尺寸相差较大，则耦合系数K较小，本实施例中，K1和K2远大于K3。
且增益天线1中串联电路的谐振频率fs与阅读器2天线的谐振频率f2相同，即fs＝f2，增益天线1中并联电路的谐振频率fp与植入式生物传感标签3的谐振频率f3相同，即fp＝f3，相同，即所述系统采用统一的谐振频率，实现通信。
以植入式的眼内压测量为例，一般要求植入式生物传感标签3的尺寸在1mm×1mm×0.5mm左右，所以采用片上天线(OCA)的设计，片上天线的尺寸在1mm×1mm左右。这样就决定了增益天线1中第二电感lp的尺寸大小：第二电感lp为圆形线圈，其起始半径为0.5mm，匝数N＝4，线宽为0.16mm，线间距为0.2mm，则增益天线1中第二电感lp的电感值约为34.82nH。故当系统工作频率为13.56MHz时，并联的第二电容Cp为3.6nF。而增益天线1中第1电感ls的设计，选择标准的矩形ID卡(Identification Card)大小尺寸，长为80mm，宽为50mm，匝数N＝7，线宽为0.3mm，线间距为0.4mm，则第1电感ls的电感值为4.2μH。第一电容Cs为32.79pF。该增益天线1的结构设计如图3所示，以PCB分层设计为例，其中实线表示第一金属层；虚线表示第二金属层。
该增益天线1的设计加工可以通过普通的漆包线缠绕或者基于常规的PCB工艺加工而成，最合适的设计加工选择是柔性印刷电路板(FPC)工艺，在柔性基材上设置电路，这样可以使得增益天线1很方便地像药膏一样贴在植入人体植入部位区域皮肤的表面，柔性基材通常选用聚酰亚胺材料。通过该增益天线1，阅读器2例如常规阅读器或具有NFC功能的智能设备，可以很方便与植入式生物传感器标签建立通信通道，能够准确、快速地读出植入体的待测生理指标。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增益天线(1)，其特征在于，包括：
LC串联谐振电路，用来与阅读器(2)通信，所述LC串联谐振电路具有串联的第一电感ls与第一电容Cs；
LC并联谐振电路，与所述LC串联谐振电路串联，用来与植入式生物传感标签(3)通信，所述LC并联谐振电路具有并联的第二电感lp与第二电容Cp。
2.根据权利要求1所述的增益天线(1)，其特征在于：所述第一电感ls尺寸与所述阅读器(2)的天线的尺寸相对应，所述第二电感lp的尺寸与所述植入式生物传感标签(3)的尺寸相对应。
3.根据权利要求2所述的增益天线(1)，其特征在于：
所述的LC串联谐振电路的谐振频率fs与所述的LC并联谐振电路的谐振频率fp相同。
4.根据权利要求1至3中任一所述的增益天线(1)，其特征在于，还包括：柔性基材；
其中，所述LC串联谐振电路和LC并联谐振电路形成于所述柔性基材上，构成柔性印刷电路板结构。
5.根据权利要求4所述的增益天线(1)，其特征在于，还包括：所述柔性基材为聚酰亚胺材料。
6.一种通信系统，其特征在于，包括权利要求1至5中任一所述的增益天线(1)，其特征在于，还包括阅读器(2)和植入式生物传感标签(3)，所述增益天线(1)用于所述阅读器(2)和植入式生物传感标签(3)之间的通信中继。
7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，所述增益天线(1)的第一电感ls尺寸与所述阅读器(2)的天线的尺寸相对应，所述增益天线(1)的第二电感lp的尺寸与所述植入式生物传感标签(3)的尺寸相对应。
8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述增益天线(1)的第一电感ls尺寸与所述阅读器(2)的天线的耦合系数为K1，所述增益天线(1)的第二电感lp的尺寸与所述植入式生物传感标签(3)的耦合系数为K2，所述植入式生物传感标签(3)与阅读器(2)的天线的耦合系数为K3，其中K1和K2远大于K3。
9.根据权利要求6至8中任一所述的通信系统，其特征在于：
f2＝f3＝fs＝fp
其中，f2为所述阅读器(1)的谐振频率；f3为所述植入式生物传感标签(3)的谐振频率；fs为LC串联谐振电路的谐振频率；fp为所述的LC并联谐振电路的谐振频率。
10.根据权利要求6至8中任一所述的通信系统，其特征在于，所述阅读器(1)为具有NFC功能的设备。
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