CN107919524A - 一种胶囊天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胶囊天线，包括上下介质板、金属柱、金属罩、聚酰亚胺外壳、金属条带和馈电金属探针；金属柱嵌入上下介质板中央，金属罩设于上层介质板的顶面，下层介质板底面覆盖有环形金属层；聚酰亚胺外壳具备生物相容性，外部与人体组织直接接触；金属条带紧贴于外壳内壁，与下层介质板底面的环形金属层形成外部金属环，该金属环与金属柱、金属罩之间形成一个缝隙天线结构。金属柱作为电池的载体，可屏蔽电池对天线性能的影响。无线内窥镜系统的电子元器件设于金属罩内，同样避免了对天线辐射性能的影响。馈电端口位于金属罩顶端，一端与金属罩连接，另一端与聚酰亚胺外壳内部的金属条带连接，从而激励起一个半波长谐振的缝隙天线。

Description

一种胶囊天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种胶囊天线，适用于无线内窥镜系统，可用于医疗监测技术领域。
背景技术
传统的内窥镜系统为有线装置，通过柔性线缆连接并通过口腔伸入人体内部，给医疗监测、成像及诊断等带来极大的不便。最近几年，一些科研工作者提出了各类适用于无线内窥镜系统的胶囊天线。
2009年，Phillip M.Izdebski、Harish Rajagopalan和Yahya Rahmat-Samii在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊上发表“Conformal IngestibleCapsule Antenna:ANovel Chandelier Meandered Design”，提出适用于胶囊的蜿蜒偶极子天线，此天线主要利用偏离结构中心的馈电方式改善匹配，但改善后的带宽仍然非常窄，在实际应用中容易造成频率偏移，导致系统性能不稳定。2017年，Rupam Das和HyoungsukYoo在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊上发表“AWidebandCircularly Polarized Conformal Endoscopic Antenna System for High-Speed DataTransfer”，提出用于胶囊的宽带圆极化天线，但此胶囊系统为电池预留的空间偏小，当电池增大后会影响附近的天线性能。另外，该天线不是全向辐射，在实际应用中对外部接收天线的摆放位置要求过高。
发明内容
为了解决现有技术中天线带宽窄、电池及电子元器件对天线性能有影响以及并非全向辐射等技术问题，本发明提出一种胶囊天线，具有性能稳定的特点，通过结构辐射单元的一体化设计，将实际应用中的电池、电子元器件置于金属罩和金属柱内部，从而屏蔽了它们对天线性能带来的负面影响。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种胶囊天线，包括外壳，设于外壳内的上层介质板、下层介质板、金属罩、金属柱、金属条带和馈电金属探针；
所述上层介质板和下层介质板相对设置，二者对应位置处均设有贯通孔；所述下层介质板上远离上层介质板的一侧设有环形金属层；
所述金属柱嵌入在上层介质板和下层介质板上的贯通孔内，其顶部与金属罩的圆形底面电连接，其底部与下层介质板底面的环形金属层电连接；
所述金属条带贴设于外壳的内壁上，其两端分别与所述环形金属层电连接，形成金属环，所述金属环与金属柱和金属罩共同形成缝隙结构；
所述馈电金属探针的一端与金属罩电连接，另一端与金属条带电连接。
进一步地，所述外壳呈胶囊型，所述上层介质板和下层介质板分别位于外壳内两侧半球体与圆柱体的连接处。
进一步地，所述金属条带包括第一金属条带、第二金属条带和第三金属条带；
所述第一金属条带贴设于外壳顶部的内壁上；
所述第二金属条带和第三金属条带均贴设于外壳侧部的内壁上，二者的顶端分别与第一金属条的两端电连接，底端分别与所述环形金属层电连接；
所述第一金属条带的宽度大于第二金属条带和第三金属条带；
所述第二金属条带和第三金属条带的结构和尺寸相同。
进一步地，所述第二金属条带和第三金属条带以外壳的中轴线为轴对称设置。
进一步地，所述馈电金属探针的一端与金属罩的顶部电连接，另一端与第一金属条带的中部电连接。
进一步地，所述金属罩的外径与金属柱的外径相等。
进一步地，所述金属柱为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或球体状中的任一种。
进一步地，所述金属罩为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或半球体状的任一种或任一种中的一部分。
进一步地，所述上层介质板和下层介质板的相对介电常数为1-10.2；厚度为0.2-5.0mm。
进一步地，所述外壳由聚酰亚胺制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供的胶囊天线，具有性能稳定的特点，通过结构(即内部为电池，外部为外壳的物理结构)、辐射单元(天线结构)的一体化设计，将实际应用中的电池、电子元器件置于金属柱和金属罩内部，从而屏蔽了它们对天线性能带来的负面影响；
2、本发明提供的胶囊天线，具有阻抗匹配良好，实现了宽带效果，覆盖医用的WMTS(Wireless Medical Telemetry Service，1.4GHz)频段，适用于未来无线内窥镜的医疗诊断监测系统；
3、本发明提供的胶囊天线，有效利用了胶囊的全部辐射口径，增大了辐射效率，提高了天线增益；
4、本发明提供的胶囊天线具备宽带范围内的全向辐射方向图，由于胶囊天线在肠道内位置的不确定性，此特性有助于保持胶囊天线与外部天线的稳定通信。
附图说明
图1是本发明提出的胶囊天线的结构示意图；
图2是本发明提出的胶囊天线x方向的视图；
图3是本发明提出的胶囊天线y方向的视图；
图4是本发明提出的胶囊天线z方向的视图；
图5是本发明提出的胶囊天线实施例2的尺寸标注示意图；
图6是本发明提供的胶囊天线的S参数的仿真图；
图7是本发明提供的胶囊天线的两个频段的增益3D仿真图；
图8是本发明提供的胶囊天线在覆盖的宽频带范围内、xoy平面φ＝0°、90°、180°、270°四个角度的增益示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1-4所示，一种胶囊天线，包括外壳8，设于外壳8内的上层介质板1、下层介质板2、金属罩5、金属柱3、第一金属条带6、第二金属条带7、第三金属条带7和馈电金属探针9；
所述外壳8呈胶囊型，优选采用具备生物相容性的聚酰亚胺制成，用于维持胶囊内部结构与外部人体组织的隔离，同时由于其生物相容性的特点，外部可与人体组织直接接触；
所述上层介质板1和下层介质板2相对设置，优选位于胶囊外壳8两侧半球体与圆柱体的连接处，对整个胶囊结构起一定支撑作用，上层介质板1和下层介质板2的中部对应位置处均设有贯通孔；
所述上层介质板1的顶部和底部均无金属覆盖；所述下层介质板2的顶面无金属覆盖，底面覆盖有环形金属层4；在本实施例中，所述上层介质板1和下层介质板2的相对介电常数均为3.66，厚度均为0.508mm；
所述金属柱3嵌入在上层介质板1和下层介质板2上的贯通孔内，其顶部与金属罩5的圆形底面电接触，其底部与下层介质板2底面的环形金属层4电接触，即与环形金属层4的内侧壁保持电接触，作为无线内窥镜胶囊系统电池的载体，可有效屏蔽电池对天线性能的影响；所述金属罩5作为电子元器件的载体，同样可有效屏蔽电子元器件对天线性能的影响；所述金属柱3为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或球体状中的任一种；所述金属罩5可以为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或球体状的任一种或任一种中的一部分；
所述第一金属条带6紧贴胶囊外壳8的顶部的内壁上；所述第二金属条带7和第三金属条带7均贴设于外壳8侧部的内壁上，二者的顶端分别与第一金属条的两端电连接，底端分别与所述环形金属层4电连接；所述第一金属条带6的宽度大于第二金属条带7和第三金属条带7；所述第二金属条带7和第三金属条带7的结构和尺寸相同；优选地，所述第二金属条带7和第三金属条带7以外壳8的中轴线为轴对称设置，所述第一金属条带6、第二金属条带7、第三金属条带7、环形金属层4与金属柱3和金属罩5共同形成缝隙结构；
所述馈电金属探针9的一端与金属罩5顶部电连接，另一端与第一金属条带6的中部电连接。
实施例2
如图5所示，胶囊天线的长度L＝26mm，外壳的圆柱部分及上下半球部分的内径Ri＝5.44mm，外径Ro＝5.5mm，外壳厚度t＝0.06mm，整个外部尺寸26mm(长度)×11mm(直径)为正常胶囊的大小。内部金属柱3的长度Lg＝16mm，半径Rg＝4.5mm。金属罩5半径Rh＝4.5mm。金属柱3与两侧第二金属条带7和第三金属条带7的间距及金属罩5与位于外壳顶部的第一金属条带6的间距皆为s＝0.94mm。第一金属条带宽度wt＝2mm，第二金属条带7和第三金属条带7的宽度w＝0.6mm。
如图6所示，当胶囊天线置于人体组织内，如一个大小为60mm×60mm×60mm的肌肉组织内，能覆盖0.944到2.004GHz的超宽工作频段，绝对带宽1.06GHz，相对带宽71.9％(2.12倍频)，即使天线置于不同的人体组织，发生频率偏移的情况下，仍能保证1.4GHz的WMTS频段的有效覆盖。
如图7所示，胶囊天线在覆盖的宽频带范围内保持xoy平面的全向辐射。另外，如图8所示，胶囊天线在覆盖的宽频带范围内、xoy平面φ＝0°、90°、180°、270°四个角度均保持良好的增益。因此该胶囊天线在肠道内位置不确定及发生频率偏移的情况下仍能保持与外部天线的良好通信，非常适用于未来的无线胶囊内窥镜系统。
综上所述：
本发明公开了一种胶囊天线，适用于无线内窥镜系统，包括上下介质板、金属柱、金属罩、聚酰亚胺外壳、金属条带以及馈电金属探针；金属柱嵌入中间镂空的上下介质板中央，金属罩设于上层介质板的顶面，下层介质板底面覆盖有环形金属层；聚酰亚胺外壳具备生物相容性，外部与人体组织直接接触；金属条带紧贴于外壳的内壁上，与下层介质板底面的环形金属层形成外部金属环，该金属环与金属柱和金属罩之间形成一个缝隙天线结构。所述金属柱作为电池的载体，可有效屏蔽电池对天线性能的影响。无线内窥镜系统的电子元器件设于金属罩内部，同样避免了对天线辐射性能的影响。馈电端口位于金属罩顶端，一端与金属罩连接，另一端与聚酰亚胺外壳内部的金属条带连接，从而有效激励起一个半波长谐振的缝隙天线。另外，本发明的胶囊天线阻抗匹配良好，实现了良好的宽带及全频段的全向辐射性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种胶囊天线，其特征在于：包括外壳，设于外壳内的上层介质板、下层介质板、金属罩、金属柱、金属条带和馈电金属探针；
所述上层介质板和下层介质板相对设置，二者对应位置处均设有贯通孔；所述下层介质板上远离上层介质板的一侧设有环形金属层；
所述金属柱嵌入在上层介质板和下层介质板上的贯通孔内，其顶部与金属罩的圆形底面电连接，其底部与下层介质板底面的环形金属层电连接；
所述金属条带贴设于外壳的内壁上，其两端分别与所述环形金属层电连接，形成金属环，所述金属环与金属柱和金属罩共同形成缝隙结构；
所述馈电金属探针的一端与金属罩电连接，另一端与金属条带电连接。
2.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述外壳呈胶囊型，所述上层介质板和下层介质板分别位于外壳内两侧半球体与圆柱体的连接处。
3.根据权利要求1或2所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述金属条带包括第一金属条带、第二金属条带和第三金属条带；
所述第一金属条带贴设于外壳顶部的内壁上；
所述第二金属条带和第三金属条带均贴设于外壳侧部的内壁上，二者的顶端分别与第一金属条的两端电连接，底端分别与所述环形金属层电连接；
所述第一金属条带的宽度大于第二金属条带和第三金属条带；
所述第二金属条带和第三金属条带的结构和尺寸相同。
4.根据权利要求3所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述第二金属条带和第三金属条带以外壳的中轴线为轴对称设置。
5.根据权利要求3所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述馈电金属探针的一端与金属罩的顶部电连接，另一端与第一金属条带的中部电连接。
6.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述金属罩的外径与金属柱的外径相等。
7.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述金属柱为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或球体状中的任一种。
8.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述金属罩为长方体状、圆柱体状、椭圆柱体状或半球体状的任一种或任一种中的一部分。
9.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述上层介质板和下层介质板的相对介电常数为1-10.2；厚度为0.2-5.0mm。
10.根据权利要求1所述的一种胶囊天线，其特征在于：所述外壳由聚酰亚胺制成。
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