CN106505313A - 一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线 - Google Patents

一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线，包括天线辐射单元、短路探针、地板及介质基板，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，地板位于介质基板的下表面，所述短路探针具体为两个，对称安装在介质基板上，且关于天线辐射单元垂直中线对称，所述天线辐射单元由两条变形的希尔伯特曲线构成，且关于介质基板垂直中线对称。本发明采用分形结构，地板开螺旋形槽，高介电常数基板，平面倒F结构等技术实现天线的小型化。

Description

一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线
技术领域
本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线。
背景技术
目前植入式医疗设备已经被用于实时监控病人生理生化特征，改善生活质量。这些正在使用的植入式医疗设备包括心脏起搏器，迷走神经刺激器，人工耳蜗，人工视网膜等。在如此众多的植入式医疗设备中可植入式的天线是其不可或缺的部分，它起着为人体内的植入式生物医疗设备与体外的基站之间进行无线数据传输的重要作用。由于植入式天线需要植入到人体内因此需要采用生物相容材料来隔离天线与生物组织以防止人体对天线产生排异反应同时也防止体液对天线的腐蚀。在生物医疗方面的植入式天线通常采用的频段是医疗植入通信系统(Medical Implant Communication System,MICS)频段，该频段是欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)规定的可用于人体无线通信的频段。然而由于MICS频段的电磁波的波长较长，因此需要采用小型化技术来缩小天线的尺寸，如采用高介电常数的基板，采用堆叠式的结构，采用弯折天线等。其次植入式医疗设备中采用的微芯片射频系统中普遍采用差分电路来处理信号，因此采用差分馈电技术的天线便于系统接口，从而省去了增加平衡非平衡转换器(巴伦)而带来的损耗。相关研究分析中也表明，天线在ISM频段处的差分反射系数曲线受到天线加工与焊接误差、生物组织电磁特性参数变化等因素的影响明显。这些因素的变化可能会使天线高频处覆盖的频带偏移出ISM频段，为了能够有效的避免这种情况的发生，要求天线在ISM频段处具有较宽的带宽。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线。
本发明采用如下技术方案：
一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线，植入到人体的皮肤层，包括天线辐射单元、短路探针、地板及介质基板，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，地板位于介质基板的下表面，所述短路探针具体为两个，对称安装在介质基板上，且关于天线辐射单元垂直中线对称，所述天线辐射单元由两条变形的希尔伯特曲线构成，且关于介质基板垂直中线对称。
所述两条变形的希尔伯特曲线的结构相同，具体是由长度宽度不同的一阶希尔伯特分形曲线进行缩伸旋转拼接构成，其拼接夹角为90度。
所述地板开有两个螺旋槽，所述两个螺旋槽关于地板垂直中线对称。
两个螺旋槽结构相同，所述螺旋槽的起点位于地板横向中线下方，终点位于地板的上边缘，按照起点到终点的螺旋方向，螺旋槽由第一矩形、直角梯形、第二矩形、第三矩形、第四矩形及第五矩形构成。
地板的垂直中线下部开有矩形槽。
所述地板具体为正方形，边长为9.5mm。
所述短路探针的直径为0.8mm。
还包括两个差分馈电端口，分别位于天线辐射单元的左右两端，距离天线辐射单元顶端为3.3mm，距离天线辐射单元的左右边缘距离为1.25mm。
还包括生物相容材料氧化铝薄膜。
本发明的有益效果：
本发明采用分形技术和地板螺旋形开槽来增加天线辐射单元电流路径缩小天线尺寸，同时采用平面倒F结构、高介电常数的介质基板的采用也有利于实现天线的小型化；
差分馈电技术的采用使得天线能够更好的与植入式医疗器械中的射频集成电路相连接，进而有利于植入式系统功耗的降低和体积的缩小；
通过在地板下部中间开矩形槽使得天线在ISM频段附近形成两个谐振频点从而扩展了天线的带宽，有利于增强天线的鲁棒性，以适应不同的人体环境。
采用生物相容材料来隔离天线与生物组织，避免人体对天线产生排异反应以及活性生物组织对天线的腐蚀。
附图说明
图1是本发明实施例一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线辐射单元的结构与参数图；
图2是本发明本实施例一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线地板的结构与参数图；
图3是本发明实施例一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线的参数图；
图4是本发明一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线的差分反射系数图。
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-图3所示，一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线，适用于植入到人体的皮肤层，包括天线辐射单元、短路探针2A-2B、地板3及介质基板4，所述天线辐射单元位于介质基板4的上表面，地板位于介质基板的下表面，所述短路探针具体为两个，对称安装在天线辐射单元用于连接天线辐射单元与地板，且关于天线辐射单元的垂直中线对称，所述天线辐射单元的下端左右开有两个差分馈电端口5、6，用于馈入差分信号，距离天线辐射单元顶端为3.3mm，距离天线辐射单元的左右边缘距离为1.25mm。
所述天线外部还包裹着生物相容材料氧化铝薄膜，所述氧化铝薄膜覆盖整个天线的表面，厚度为0.1mm，整个天线可植入到人体的皮肤层。
所述天线辐射单元由两条变形的希尔伯特曲线1A-1B构成，关于介质基板垂直中线对称，所述两条变形的希尔伯特曲线的结构相同，具体是由长度宽度不同的一阶希尔伯特分形曲线进行缩伸旋转拼接构成，其拼接夹角为90度。
本实施例中的具体尺寸如下：
w1＝0.7mm，w2＝0.5mm，w3＝0.8mm，w4＝0.4mm，w5＝1mm，w6＝0.4mm，w7＝0.3mm，l1＝3mm，l3＝3.1mm，l4＝1.6mm，l5＝1.8mm，l6＝0.6mm，l7＝3mm，l8＝4.6mm，l9＝2.8mm，l10＝0.4mm
如图2所示，所述地板上开有两个螺旋槽，两个螺旋槽关于地板垂直中线对称，所述两个螺旋槽的结构相同，螺旋槽的起点位于地板横向中线的下方，其终点位于地板的上边缘，按照起点到终点的螺旋方向，螺旋槽由第一矩形、直角梯形、第二矩形、第三矩形、第四矩形及第五矩形依次连接构成。
地板的垂直中线下半部分开有矩形槽。
本实施例中采用的具体尺寸为：
wg1＝1mm，wg2＝0.6mm，wg3＝0.4mm，wg4＝0.5mm，wg5＝1.4mm，lg1＝4.1mm，lg2＝3.4mm，lg3＝5.2mm，lg4＝2.35mm，lg5＝2.25mm，lg6＝1mm，lg7＝3mm。通过开长宽分别lg7和wg5的矩形槽能够在ISM频段附近构造临近的谐振点以展宽天线的带宽。
所述介质基板4为正方形的Rogers RO3210介质基板，其边长L为9.5mm，厚度h为0.635mm，相对介电常数εr为10.2，损耗角正切tanδ为0.003。
所述短路探针2A-2B的直径d为0.8mm，短路探针与天线边缘的距离分别为ld1为3.3mm，ld2为1.25mm。
所述生物相容材料薄膜为氧化铝，其相对介电常数εr为9.2，损耗角正切tanδ为0.008。
所述地板具体为正方形，边长为9.5mm。
如图4所示，天线在MICS频段和ISM频段的带宽分别为89MHz(331-420MHz，22.1％)和1.34GHz(2.10-3.44GHz,54.9％)。
所述天线的工作环境为植入到人体的皮肤层中，其植入深度dp1为3mm，天线在403MHz处的总辐射效率和增益分别为-35.04dB和-32.24dBi，在2.44GHz处的总辐射效率和增益分别为-28.39dB和-21.63dBi。
本发明天线在MICS频段和ISM频段辐射方向图朝向体外适合应用于植入式医疗器械与体外设备的通信中，并分别在MICS和ISM频段均实现了较低的比吸收率。
该天线具有小型化的特点。采用分形结构，地板开螺旋形槽，高介电常数基板，平面倒F结构等技术实现天线的小型化。通过采用差分馈电技术使得天线能够更好的连接可植入式医疗设备的射频集成电路。通过在地板下部中间开矩形槽展宽天线的带宽，实现天线的双频宽带特性。采用生物相容材料来隔离天线与生物组织，避免人体对天线产生排斥反应以及人体环境对天线的腐蚀。所以能够适用于植入式医疗器械。
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 (9)

1.一种应用于植入式医疗器械中的差分双频宽带天线，植入到人体的皮肤层，其特征在于，包括天线辐射单元、短路探针、地板及介质基板，所述天线辐射单元位于介质基板的上表面，地板位于介质基板的下表面，所述短路探针具体为两个，对称安装在介质基板上，且关于天线辐射单元垂直中线对称，所述天线辐射单元由两条变形的希尔伯特曲线构成，且关于介质基板垂直中线对称。
2.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，所述两条变形的希尔伯特曲线的结构相同，具体是由长度宽度不同的一阶希尔伯特分形曲线进行缩伸旋转拼接构成，其拼接夹角为90度。
3.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，所述地板开有两个螺旋槽，所述两个螺旋槽关于地板垂直中线对称。
4.根据权利要求3所述的差分双频宽带天线，其特征在于，两个螺旋槽结构相同，所述螺旋槽的起点位于地板横向中线下方，终点位于地板的上边缘，按照起点到终点的螺旋方向，螺旋槽由第一矩形、直角梯形、第二矩形、第三矩形、第四矩形及第五矩形构成。
5.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，地板的垂直中线下部开有矩形槽。
6.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，所述地板具体为正方形，边长为9.5mm。
7.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，所述短路探针的直径为0.8mm。
8.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，还包括两个差分馈电端口，分别位于天线辐射单元的左右两端，距离天线辐射单元顶端为3.3mm，距离天线辐射单元的左右边缘距离为1.25mm。
9.根据权利要求1所述的差分双频宽带天线，其特征在于，还包括生物相容材料氧化铝薄膜。
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