CN107611595B - 一种应用于生物医学遥测的植入式mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线，包括天线辐射贴片结构、介质基板、金属地板及短路探针结构，所述天线辐射贴片结构设置在介质基板的上表面，所述金属地板设置在介质基板的下表面，所述短路探针结构用于连接金属地板及天线辐射贴片结构，所述天线辐射贴片结构包括两个尺寸相同的矩形辐射单元，该天线具有小型化，低剖面，高增益，抗干扰，多天线单元等满足天线大数据传输，生物相容性等优点。

Description

一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线
技术领域
本发明涉及移动医疗无线通信领域，具体涉及一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线。
背景技术
随着微电子技术和生物医学的发展，人体植入式设备正逐渐应用到人们生活的方方面面。由于能够给患者带来便捷与舒适的医疗监测与诊断，远程植入式医疗设备将得到广泛应用。植入式天线作为植入式医疗设备与体外基站进行稳定通信链路链接的关键部件之一，其性能将会影响到整个系统数据传输的稳定性和准确性。同时考虑到植入式天线工作的复杂的有耗生物组织环境，植入式天线设计要满足诸多要求，如天线抗干扰能力，天线小型化，天线的生物相容性，电磁辐射安全性等。而如今随着物联网的发展，移动医疗技术对植入式设备大数据容量和高数据传输速率的需求越来越大，如胶囊内窥镜在肠道疾病中的拍摄诊断时对肠道短时间内大量拍摄达到2 images/s，即数据传输速率大约为1-2MB/s。而传统的单输入单输出天线系统在天线设计完成之后，其在满足的指标要求内的传输数据带宽和频谱是一定的，不足以满足未来发展。因而将移动通信技术中的MIMO技术应用到植入式设备中，在不增加带宽和功耗的前提下，可以显著提高系统的传输数据速率和信道容量。同时，利用MIMO系统的空间分集增益、空间复用增益来提高天线的链路稳定性，增强天线抗信道衰落和多径干扰能力。
目前植入人体的天线中，单输入输出系统天线难以适应大数据发展的要求，天线设计正朝着MIMO技术方向发展，同时其还需考虑生物兼容性、小型化。低功耗以及生物安全性等，这些限制都将增大植入式天线的设计难度。
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生物医学遥测的植入式MIMO天线。
本发明采用如下技术方案：
一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线，包括天线辐射贴片结构、介质基板、金属地板及短路探针结构，所述天线辐射贴片结构设置在介质基板的上表面，所述金属地板设置在介质基板的下表面，所述短路探针结构用于连接金属地板及天线辐射贴片结构；
所述天线辐射贴片结构包括两个尺寸相同的矩形辐射单元，两个矩形辐射单元设置在介质基板对角线的两端，且关于介质基板的中心对称，每个矩形辐射单元内开有十字形槽，所述十字形槽靠近介质基板中心的位置加载电磁带隙结构。
两个十字形槽关于介质基板中心对称，所述十字形槽的一条槽设置在介质基板的对角线上，另一条槽垂直于对角线。
所述电磁带隙结构由螺旋曲线开槽及地板连接枝节构成。
所述短路探针结构包括四个探针，具体位于所述螺旋曲线开槽的中心。
所述金属地板包括与两个矩形辐射单元互异分布且重叠一角的两个正方形单元及位于介质基板对角线上的去耦合枝节，所述正方形单元上开有两个相互垂直的矩形槽。
所述去耦合枝节的两端为弧形。
天线结构为四角是圆弧倒角的方形结构。
还包括生物相容性结构，所述生物相容性结构覆盖在天线辐射贴片结构上。
所述电磁带隙结构为四个，每个十字形槽设置两个，具体设置在介质基板的对角线上的的两侧。
所述两个矩形辐射单元分别由弯曲的微带线连接馈电，两个弯曲的微带线关于介质基板对角线对称。
本发明的有益效果：
本发明是一种小型化，易集成，单频的用于生物医学遥测的MIMO天线；占天线总面积四分之一辐射贴片单元位于整个贴片一端，天线工作在ISM 2.45GHz频段。通过引入“十”字形槽和在“十”字形槽旁引入电磁带隙结构对入射的电磁波具有选择性，对选择电磁波频段产生衰减而提高天线的隔离度，同时电磁带隙结构可以抑制表面波的传播，减小沿介质层辐射，提高天线增益。
而且天线地板加入的去耦枝节和地板矩形边上的矩形开槽也是为了增强天线的隔离度，从而满足工程要求的小于-15dB的要求。该款植入式MIMO天线具有小型化、易集成，低剖面，高增益，抗干扰等优点，能解决目前植入式人体天线所面临的问题，同时解决单输入单输出天线系统信道容量和传输速率不足的现状。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1中介质基板下表面的金属地板图；
图4是本发明天线在三层人体组织模型上的ISM频段的反射系数仿真图；
图5是本发明在ISM频段的隔离度。
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-图3所示，一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线，包括天线辐射贴片结构1、介质基板3、金属地板2、生物相容结构5及短路探针结构4，所述天线辐射贴片结构1设置在介质基板3的上表面，所述金属地板2设置在介质基板的下表面，所述短路探针结构4用于连接金属地板及天线辐射贴片结构，所述生物相容结构5位于天线辐射贴片结构的上表面，两者的厚度均为0.635毫米。
所述天线的整体结构为四角是圆弧倒角的方形结构，圆弧半径是1.5mm，方形结构的边长为18.5mm。
所述天线辐射贴片结构1包括两个尺寸相同矩形辐射单元，且位于介质基板的对角线上，关于介质基板的中心对称，所述介质基板对角线具体是与水平面成钝角的对角线，矩形辐射单元的两条邻边与介质基板的边缘重合。
每个矩形辐射单元占天线总面积的四分之一，其内开有十字形槽，所述十字形槽的一条槽开在介质基板的对角线上，两条槽相互垂直，初步形成辐射大单元中两天线小单元的隔离度。
所述十字形槽中位于对角线上的槽的两侧加载电磁带隙结构，两个十字形槽中加载的电磁带隙结构关于介质基板中心对称，加载的电磁带隙结构靠近介质基板中心位置，提高两天线单元的隔离度，电磁带隙结构具体为四个，每一个十字形槽加载两个电磁带隙结构。
所述电磁带隙结构由螺旋曲线开槽及地板连接枝节构成，所述短路探针结构包括四个短路探针，分别位于螺旋曲线开槽的中心，所述地板连接枝节与金属地板连接，短路探针连接螺旋曲线开槽的中心及地板连接枝节。
每个矩形辐射单元分别由两条弯曲的微带线连接馈电，两条弯曲的微带线关于介质基板的对角线对称。
通过引入“十”字形槽和在“十”字形槽旁引入电磁带隙结构对入射的电磁波具有选择性，对选择电磁波频段产生衰减而提高天线的隔离度，同时电磁带隙结构可以抑制表面波的传播，减小沿介质层辐射，提高天线增益。
所述金属地板包括与两个矩形辐射单元互异分布且重叠一角的两个正方形单元，及位于介质基板下表面对角线上的去耦合枝节，坐标系具体以介质基板中心为圆心，纵向中线为Y轴，横向中线为X轴。
介质基板上表面有两条对角线，一条是与X轴正向成钝角的第一对角线，一条是与X轴正向成锐角的第二对角线，所述金属地板的两个矩形辐射单元关于第二对角线对称，去耦合枝节位于第一对角线上，且两端为弧形结构，并且两个正方形单元分别开有两条相互垂直的矩形槽，所述两条矩形槽的开口分别开在正方形单元的两条邻边上，从而构成缺陷地结构。去耦合枝节和缺陷地结构都是为了分隔地板电流，从而增强天线单元之间的隔离度。
所述天线的整体结构为方形结构，其边长为18.5mm，厚度h为1.27mm。为了方形结构的棱角对人体组织造成伤害，所述方形结构的四个角设计为弧形。
天线辐射贴片结构的边长为为9.25cm，其他结构相关参数由表1给出。所述介质基板采用高介电常数材料为Rogers6010LM，其相对介电常数为10.2，电损耗角正切为0.0023。介质基板边长为18.5mm。所述短路探针为圆柱形结构，半径为0.3mm，连接辐射金属贴片和金属地板贴片。
本实施例的天线具体尺寸如表1所示：
表1植入式MIMO天线结构参数(单位：mm)
Figure BDA0001353360880000041
如图4和图5所示，一种应用与生物医学遥测的植入式MIMO天线工作于工业、科学、医疗频段(ISM频段：2.4-2.48GHz)，天线有较大的阻抗带宽。同时MIMO天线单元之间的隔离度在大于2.4GHz后的频段内小于-15dB。
该天线具有小型化，低剖面，高增益，抗干扰，多天线单元等满足天线大数据传输，生物相容性等优点，本天线是按照介质基板中心点成轴对称和中心对称，所以天线模型以两条对角线中的哪一条都是对称的，介质基板的正面辐射单元和背面地板按透视角度从一个方向看过去各自两个正方形单元是互异分布的。
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)

1.一种应用于生物医学遥测的植入式MIMO天线，其特征在于，包括天线辐射贴片结构、介质基板、金属地板及短路探针结构，所述天线辐射贴片结构设置在介质基板的上表面，所述金属地板设置在介质基板的下表面；
所述天线辐射贴片结构包括两个尺寸相同的矩形辐射单元，两个矩形辐射单元设置在介质基板对角线的两端，且关于介质基板的中心对称，每个矩形辐射单元内开有十字形槽，所述十字形槽靠近介质基板中心的位置加载电磁带隙结构；
所述电磁带隙结构由螺旋曲线开槽及地板连接枝节构成；
所述短路探针结构位于所述螺旋曲线开槽的中心；
所述短路探针结构连接螺旋曲线开槽的中心及地板连接枝节。
2.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，两个十字形槽关于介质基板中心对称，所述十字形槽的一条槽设置在介质基板的对角线上，另一条槽垂直于对角线。
3.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，所述短路探针结构包括四个探针。
4.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，所述金属地板包括与两个矩形辐射单元互异分布且重叠一角的两个正方形单元及位于介质基板对角线上的去耦合枝节，所述正方形单元上开有两个相互垂直的矩形槽。
5.根据权利要求4所述的植入式MIMO天线，其特征在于，所述去耦合枝节的两端为弧形。
6.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，天线结构为四角是圆弧倒角的方形结构。
7.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，还包括生物相容性结构，所述生物相容性结构覆盖在天线辐射贴片结构上。
8.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，所述电磁带隙结构为四个，每个十字形槽设置两个，具体设置在介质基板的对角线上的两侧。
9.根据权利要求1所述的植入式MIMO天线，其特征在于，所述两个矩形辐射单元分别由弯曲的微带线连接馈电，两个弯曲的微带线关于介质基板对角线对称。
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