CN107946760B - 一种工作在ism频段的医疗植入式天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工作在ISM频段的医疗植入式天线，包括辐射贴片、微带馈线、接地平面和介质基板，其特征是：所述辐射贴片由上、下两个圆形相交构成，下圆形上以两个圆形的圆心连线为轴对称设置有四个弧形切角，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个矩形构成；位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离不等于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离，四个弧形切角到两个圆形的圆心连线的距离均相等；所述微带馈线与下圆形的底部紧密相连；所述接地平面整体为矩形，矩形的上部两端具有相同的切角结构，切角结构的竖直边长等于接地平面的宽度，接地平面的宽度为介质基板宽度1/10～1/5。本发明结构简单且新颖，损耗低，带宽更宽，适用范围更广。

Description

一种工作在ISM频段的医疗植入式天线
技术领域
本发明属于天线领域，尤其涉及一种工作在ISM频段的医疗植入式天线。
背景技术
当前，不断加剧的人口老龄化问题已成为包括中国在内的世界各国共同面临的难题，老龄化的进程必将伴随着医疗保健服务业的需求增长，而人口基数又大，对高质量的医疗保健需求庞大，无线生物医疗由于其使用便利成为了当前及未来医疗发展的主要趋势。就当前的研究现状来看，研发低损耗、小型化的无线医疗设备依旧存在很大的困难。
植入式医疗频段最早出现在1999年由美国联邦通信委员会来制定的频率范围在402-405MHz，即为常说的无限医疗服务(简称MICS)频段。其频率范围为专门用于2米范围内的植入式医疗装置通信，通信速率可达250kbit/s。我国也于2007年将402-405MHz发布为生物医学遥测专用频段。当前无线医疗设备的研究也主要集中在该频段，同时也经常涉及工业、科学和医疗频段(简称ISM)的433.1-434.8MHz、868-868.6MHz、2.40-2.483GHz和5.725-5.850GHz和超宽带频率3.1-10.6GHz。
就植入式天线而言，工作在ISM频段较为常见，相比于MICS和WMTS，其可利用频带更宽，具有较高的无线信道容量，所以近年来很多国家将5.8GHz的ISM频段用于生物遥测。例如Xu.Li-Jie等人发表的《Dual-Band Implantable Antenna With Open-End Slots onGround》文章中采用平面倒F结构的天线，设计了双频植入式天线，但天线水平尺寸较大，为19mm×19.4mm×1.27mm；李明玖等人在2017年《电子元件与材料》上发表的《一种新型三频段植入式天线的设计》中采用多层平面倒F结构实现多频，但层数多达三层，既增加厚度也提高加工难度；申请号为2017104811199的中国专利公开一种小型双频植入式医用柔性天线，该天线采用同轴馈电，用短路贴片调节天线工作频率实现了双频工作，其大小为15mm×15mm×1mm。但是由于人体结构的复杂性同轴馈线实现起来相当不易加之其厚度太厚实现弯曲就会比较困难以至于与人体的兼容性大大降低。因此设计出一种结构简单的小型化超薄植入式天线具有重大的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种工作在ISM频段的医疗植入式天线，结构简单且新颖，尺寸很小，易于加工，通过微带馈线进行馈电，辐射贴片采用通过两个圆形相交，再在下圆形上开左右对称的四个弧形切角的结构，有效增加了电流有效长度，很大程度上减小了天线尺寸；同时减小接地平面的宽度能增大天线带宽。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种工作在ISM频段的医疗植入式天线，包括辐射贴片、微带馈线、接地平面和介质基板，其特征是：所述辐射贴片由上、下两个圆形相交构成，下圆形上以两个圆形的圆心连线为轴对称设置有四个弧形切角，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个矩形构成；位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离不等于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离，四个弧形切角到两个圆形的圆心连线的距离均相等；所述微带馈线与下圆形的底部紧密相连；
所述接地平面整体为矩形，矩形的上部两端具有相同的切角结构，切角结构的竖直边长等于接地平面的宽度，接地平面的宽度为介质基板宽度1/10～1/5，去除切角结构的接地平面的上边长小于下边长，所述的辐射贴片与接地平面相平行，所述介质基板填充于辐射贴片与接地平面之间，介质基板采用柔性材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1、结构简单：本发明结构简单且新颖，通过两圆相交、开正方形槽的方式有效增加了电流的有效长度使天线尺寸大大降低，尺寸更小，易于加工；
2、带宽与频率可调：本发明通过调整接地平面的宽度和正方形槽边长可对天线带宽和工作频率进行调解；
3、本申请的接地平面远小于介质基板的底面，减小了接地平面的宽度，并且接地平面在两头开了两个三角形切角结构在增大带宽的同时减小了寄身干扰。通过在两圆相交减去正方形出现的不规则弧形切角和接地平面的三角形切角结构的配合作用，进一步了降低寄身干扰作用；
4、天线的损耗低、工作带宽。在实际工程应用中对天线可以工作的回波损耗是-10dB，而一般的天线设计大多集中在-20dB到-35dB之间，本申请的回波损耗能达到-46.77dB。一般的电压驻波比工程要求是小于2，大多数在1.5-2之间，本申请达到了1.03。相对于现有天线具有更低的损耗及驻波比，为天线植入人体更深层位置奠定了基础。
5、本申请的介质基板采用介电常数为4的聚酰亚胺柔性材料，且厚度很薄，使得天线更易于弯曲而达到良好的植入效果。
6、相对于申请人之前申请的专利2017104811199，本申请能应用于皮肤与脂肪之间，而原先的只是应用于皮肤表层，且具有以下优点：尺寸更小，.由15mm×15mm×1mm变为14mm×12mm×0.15mm；损耗更低，回波损耗由-28.19dB变为-46.77dB，足足降低了将近20dB；.工作带宽更宽，由5.520-5.900GHz变为5.380-6.430GHz，带宽增加了两倍多；带宽的增加及损耗的降低、尺寸更薄，使.本申请更薄容易实现弯曲，实际应用空间更大、植入深度更深的使用。
附图说明
图1是本发明一种工作在ISM频段的医疗植入式天线的正面结构图。
图2是本发明一种工作在ISM频段的医疗植入式天线的背面结构图。
图3是本发明一种工作在ISM频段的医疗植入式天线在5.8GHz皮肤电特性下的回波损耗曲线图。
图4是本发明一种工作在ISM频段的医疗植入式天线在5.8GHz皮肤电特性下的电压驻波比曲线图。
图5是本发明一种工作在ISM频段的医疗植入式天线在5.8GHz皮肤电特性下的方向图。
图中，辐射贴片11，弧形切角111、112、113、114，下圆形115、上圆形116，微带馈线21，接地平面31，介质基板41，切角结构311、312。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明工作在ISM频段的医疗植入式天线(简称天线，参见图1-2)，包括辐射贴片11、微带馈线21、接地平面31和介质基板41，所述辐射贴片由上、下两个圆形相交构成，下圆形115上以两个圆形的圆心连线为轴对称设置有四个弧形切角(111、112、113、114)，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个矩形构成；位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离不等于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离，四个弧形切角到两个圆形的圆心连线的距离均相等；所述微带馈线与下圆形的底部紧密相连；
所述接地平面整体为矩形，矩形的上部两端具有相同的切角结构(311、312)，切角结构的竖直边长等于接地平面的宽度，接地平面的宽度为介质基板宽度1/10～1/5，去除切角结构的接地平面的上边长小于下边长，所述的辐射贴片与接地平面相平行，所述介质基板填充于辐射贴片与接地平面之间，介质基板采用柔性材料制成。
所述介质基板采用介电常数为4的聚酰亚胺柔性材料，尺寸为14mm×12mm×0.15mm。
所述弧形切角为下圆形边缘切去一个正方形构成。圆相对于矩形而言在同等尺寸下弧长更长电流路径也就更长，而开正方形槽更是再一次拉长了路径。对于天线而言，四个正方形的边长、正方形的相对位置、四个正方形到下圆形的圆心距离、两圆形的圆心相对位置都会对天线的回波损耗、工作频率、工作带宽产生影响。
所述上圆形与下圆形的半径比为1:2，两个圆形的圆心距与下圆形的半径比为2.6：2.08，所述正方形的变成与下圆形的半径比为0.8：2.08。接地平面的宽度为介质基板宽度3/25。
位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离大于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离。
所述接地平面31整体为12mm×1.5mm的矩形。
所述接地平面31上的切角结构为直角三角形或弧形。切角结构的具体尺寸对天线的性能有影响，如果选择矩形切角和不切就失去减少寄身干扰这一作用了，本发明中优先直角三角形切角结构。
本发明中上下两圆形相交，两个圆形的直径大小位置对于天线性能会产生很大的影响，重叠部分的大小也会对天线性能产生影响，两个圆形的直径越大且交叉越少电流的路径就会越长，频率就会越低，相反频率则更高。
本发明可以通过改变四个正方形的边长来调整工作频段以及减小天线尺寸；通过减小接地平面增大带宽，一般来说接地平面的大小应该是跟介质基板的底面大小相等，本发明显著减少了接地平面的宽度，并且在两头开了两个三角形切角能在增大带宽的同时又减小了寄身干扰；通过三角形切角结构和不规则的弧形切角设置可以显著减少寄生干扰。
实施例1
本实施例工作在ISM频段的医疗植入式天线，包括辐射贴片11、微带馈线21、接地平面31和介质基板41。辐射贴片由上圆形116和下圆形115相交构成，下圆形115上以两个圆形的圆心连线为轴对称设置有四个弧形切角(111、112、113、114)，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个正方形构成；四个弧形切角到两个圆形的圆心连线的距离均相等；下圆形圆心为O1，上圆形圆心为O2，介质基板41的底边为L，切去的四个正方形靠近下圆形圆心O1的正方形顶点分别为a、b、c、d，a、b分别为位于下方的两个正方形的顶点，c、d分别为位于上方的两个正方形的顶点。
下圆形115的半径为2.08mm，且下圆形圆心O1距离底边L的距离为5.6mm，上圆形116的半径为1.04mm，且上圆形圆心O2距离底边L的距离为8.4mm，四个正方形的边长均为0.8mm，下圆形圆心O1到正方形顶点a、b的距离为下圆形圆心O1到正方形顶点c、d的距离为/>上下正方形距离下圆形圆心的距离不等，不同的相对距离会对天线产生不一样的性能结果。
微带馈线21为0.8mm×3.68mm的矩形，微带天线与下圆形115的下端相连，介质基板是尺寸为14mm×12mm×0.15mm的立方体薄板，其采用介电常数为4的聚酰亚胺柔性材料制成。
辐射贴片11与接地平面31相平行，所述接地平面31整体为12mm×1.5mm的矩形，矩形的上部两端具有切角结构311、312，两个切角结构形状尺寸相同，为直角三角形，分别位于接地平面31的左上方和右上方；直角三角形的斜边的尺寸为切去切角结构后接地平面的底部边长尺寸是12mm、顶部边长尺寸是10.2mm、两个斜边的尺寸是/>切角结构的竖直边长为1.5mm、切角结构的水平边长为0.9mm。
如图3所示，是本实施例在2.45GHz皮肤电特性下的回波损耗曲线图。本发明是植入人体皮肤，用来检测人体机能和病症的，人体皮肤在5.8GHz的工作频点下的介电常数为35.11、电导率为3.717。从图中可以看出在5.8GHz频点下天线工作在5.380-6.430GHz频段内，回波损耗值达到-46.77dB，抗干扰能力更强。
如图4所示，是本实施例在5.8GHz皮肤电特性下的电压驻波比曲线图。人体皮肤在5.8GHz的工作频点下的介电常数为35.11、电导率为3.717。从图中可以看出在5.8GHz频点下天线在-10dB以下的带宽达到18.1％，且在ISM5.8GHz频段范围内的电压驻波比均小于2，在5.8GHz附近甚至低于1.2，所以能够很好的满足工程需要。
如图5是本实例在5.8GHz时该天线的方向图，从图中可以看出本实例在整个频段内具有较好的方向性，满足设计要求。
上述实例为本发明较佳的实施方式，另外在本实例的基础上，只对于辐射片的结构做一个位置变动或者不同的开槽方式、开槽的位置和接地平面的大小和尺寸的改变，都应包含在本发明的保护范围内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种工作在ISM频段的医疗植入式天线，包括辐射贴片、微带馈线、接地平面和介质基板，其特征是：所述辐射贴片由上、下两个圆形相交构成，下圆形上以两个圆形的圆心连线为轴对称设置有四个弧形切角，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个矩形构成；位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离不等于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离，四个弧形切角到两个圆形的圆心连线的距离均相等；所述微带馈线与下圆形的底部紧密相连；
所述接地平面整体为矩形，矩形的上部两端具有相同的切角结构，切角结构的竖直边长等于接地平面的宽度，接地平面的宽度为介质基板宽度1/10~1/5，去除切角结构的接地平面的上边长小于下边长，所述的辐射贴片与接地平面相平行，所述介质基板填充于辐射贴片与接地平面之间，介质基板采用柔性材料制成。
2.根据权利要求1所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，所述介质基板采用介电常数为4的聚酰亚胺柔性材料。
3.根据权利要求2所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，所述介质基板的尺寸为14mm×12mm×0.15mm。
4.根据权利要求1所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，所述弧形切角为下圆形边缘切去一个正方形构成。
5.根据权利要求4所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，上圆形与下圆形的半径比为1:2，两个圆形的圆心距与下圆形的半径比为2.6：2.08，所述正方形的边长与下圆形的半径比为0.8：2.08。
6.根据权利要求1所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，位于上方的弧形切角底边到下圆形圆心的距离大于位于下方的弧形切角顶边到下圆形圆心的距离。
7.根据权利要求1所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，所述接地平面整体为12mm×1.5mm的矩形。
8.根据权利要求1所述的工作在ISM频段的医疗植入式天线，其特征在于，所述接地平面上的切角结构为直角三角形或弧形。
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