CN109216910B - 一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线，包括胶囊外壳及内置胶囊外壳的平面辐射单元、第一介质基板、第二介质基板、金属地板、共形辐射单元及同轴馈电结构，所述第一介质基板的上表面印制平面辐射单元，其下表面设置金属地板，所述第二介质基板的上表面设置共形辐射单元，所述第二介质基板弯曲成圆柱形结构，内嵌在胶囊外壳内，本发明具有小型化、带宽大、高增益、抗极化失配、占用胶囊内部体积小等优点，可适用于无线医学遥测领域的胶囊内窥镜系统中。

Description

一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线
技术领域
本发明涉及生物医学遥测领域，具体涉及一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线。
背景技术
现有技术中的胶囊内窥镜的天线存在的缺陷为，一人体的相对介电常数与磁导率相差相差很大，导致天线性能的改变；二是由于使用者的移动与胶囊自身的移动导致胶囊的方向与位置不确定，因而导致胶囊与外部无线接收器之间存在极化失配问题；其三是由于实际应用中胶囊内还配置有LED灯、收发机、电池、摄像头等电子器件，这些电子器件会对胶囊的性能产生影响。
目前应用与胶囊内窥镜系统的设计中，大多数设计都存在占用胶囊内部体积大、极化失配严重、带宽窄、增益低的缺点，这些缺点使得胶囊内窥镜难以适应人体复杂环境和胶囊内部的复杂电子系统。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供小型化、带宽大、高增益、抗极化失配、占用胶囊内部体积小的工作在915MHz ISM频段且可应用于无线胶囊内窥镜系统的全向性共形天线。
本发明采用如下技术方案：
一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线，包括胶囊外壳，平面辐射单元、第一介质基板、第二介质基板、金属地板、共形辐射单元及同轴馈电结构，所述第一介质基板的上表面印制平面辐射单元，其下表面设置金属地板，所述第二介质基板的上表面设置共形辐射单元，所述第二介质基板弯曲成圆柱形结构，内嵌在胶囊外壳内，所述共形辐射单元包括上辐射单元及下辐射单元，所述第一介质基板位于胶囊外壳的中间位置，上辐射单元位于第一介质基板的上方，下辐射单元位于第一介质基板的下方，上、下辐射单元关于胶囊外壳中间位置对称，所述平面辐射单元关于第一介质基板的横轴对称。
所述上辐射单元与下辐射单元结构相同，均包括倒L形枝节、矩形贴片及高阻抗线，所述倒L形枝节由水平枝节及竖直枝节构成，所述矩形贴片内嵌在水平枝节内，所述高阻抗线用于连接倒L形枝节及矩形贴片。
所述平面辐射单元包括圆环贴片、两个半圆贴片及两根高阻抗线，所述两个半圆贴片关于圆环贴片的横轴对称，一个位于在圆环贴片的上半部分，另一个位于圆环贴片的下半部分，所述两根高阻抗线将两个半圆贴片与圆环贴片连接。
所述两个半圆贴片在直径的中间位置设有开口。
所述上、下辐射单元与平面辐射单元垂直。
所述同轴馈电结构位于平面辐射贴片的中心点，由50欧姆的同轴线构成,内芯处于第一介质基板的中心点，外芯为第一介质基板的下方。
所述金属地板为圆形结构。
所述第一介质基板为圆形结构，其圆形结构的直径与第二介质基板弯曲的圆柱形结构的内直径相同。
本发明的有益效果：
(1)本发明具有带宽大、小型化、占用胶囊内部体积小、抗极化失配的特点；
(2)本发明具有高增益特点，最大增益为-21dBi，可靠传输距离远。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)是本发明的平面辐射单元的俯视图；
图2(b)是本发明的平面辐射单元的侧视图；
图3(a)是本发明的展开的共形辐射单元的俯视图；
图3(b)是本发明的展开的共形辐射单元的侧视图；
图4是本发明的平面辐射单元的参数尺寸图；
图5是本发明的展开的共形辐射单元的参数尺寸图；
图6是本发明在中心频率为915MHz时的S参数曲线；
图7是本发明在中心频率为915MHz时的平面增益方向图；
图8是本发明的人体肌肉组织环境示意图。
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2(a)、图2(b)、图3(a)及图3(b)所示，一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线，包括胶囊外壳3，胶囊外壳由生物相容性材料构成，能隔离人体组织和防胃酸腐蚀，作为胶囊天线以及内部电子元件的保护层。
所述胶囊外壳内设置平面辐射单元2、第一介质基板8、第二介质基板10、金属地板9、共形辐射单元及同轴馈电结构4，第一介质基板为高介电常数，第一介质基板的上表面印制平面辐射单元，下表面设置金属地板，所述平面辐射单元为圆形结构，由圆环贴片5、两个半圆贴片7A、7B及两根高阻抗线6A、6B构成，所述两个半圆贴片关于圆环贴片的横轴对称，圆环贴片设置在两个半圆贴片的外围，其中一个圆环贴片位于在圆环贴片的上半部分，另一个位于圆环贴片的下半部分，所述两根高阻抗线将两个半圆贴片与圆环贴片连接。两个圆环贴片的结构尺寸相同，两个圆环贴片的直径中间开口，同轴馈电结构设置在第一介质基板的中心位置。
所述金属地板为圆形结构。通过两根高阻抗线分别将圆环贴片和两个半圆贴片连接，且半圆贴片和圆环贴片互相耦合，形成慢波效应，实现小型化。
所述第二介质基板为柔性介质基板，所述第二介质基板的上表面设置共形辐射单元，第二介质基板弯曲成圆柱形结构，内嵌在胶囊外壳内，第二介质基板的下表面与胶囊外壳的内壁相贴合，第一介质基板位于胶囊外壳的中间位置，所述共形辐射单元包括上辐射单元1A及下辐射单元1B，弯曲后，上辐射单元位于平面辐射单元的上方，下辐射单元位于平面辐射单元的下方，上、下辐射单元与平面辐射贴片垂直，且相交于圆环贴片的外侧，相交弧线的中点与中心点的连线垂直于高阻抗线。
所述上、下辐射单元的结构相同，均包括倒L形枝节12A、12B矩形贴片11A、11B及高阻抗线13A、13B，所述倒L形枝节由水平枝节及竖直枝节构成，所述矩形贴片内嵌在水平枝节内，上辐射单元的水平枝节向左，下辐射单元的水平枝节方向向右，所述矩形贴片内嵌在水平枝节内，并与水平枝节相隔一定距离，所述上、下辐射单元的竖直枝节与平面辐射单元接触。
所述同轴馈电结构位于平面辐射贴片的中心点，由50欧姆的同轴线构成,内芯处于第一介质基板的中心点，同轴内芯半径为0.2mm，外芯为第一介质基板的下方。
本实施例中，第一介质基板8为Rojers 3010，其相对介电常数为10.2，电损耗角正切为0.0035，厚度为0.635mm。高介电常数介质基板为圆形结构，半径为5.28mm。
本实施例中，第二介质基板为polyimide，其相对介电常数为3.5，电损耗角正切为0.008，厚度为0.12mm。弯曲成圆柱形后，其内半径为5.28mm。
所述胶囊外壳的介质基板为polyethylene，其相对介电常数为2.25，电损耗角正切为0.001，厚度为0.1mm，内半径为5.4mm，总长为26mm。
本实施例中平面辐射贴片的具体尺寸，如图4所示：R1＝4.72mm，半圆贴片半径：R2＝4.22mm，高阻抗线的宽度：D2＝0.06mm，高阻抗线到半圆贴片的距离为：W7＝0.8mm，高阻抗线与半圆贴片重叠的长度为：L7＝3.6mm。
如图5所示，上、下辐射单元中，倒L形枝节中竖直枝节的宽度W1＝1.3mm，长：L1＝4.2mm，与矩形贴片的距离为:W3＝0.15mm。
水平枝节的宽度为：W2＝2mm，水平枝节长度为：L2＝20mm，高阻抗线距离水平枝节的边缘D1＝0.9mm,矩形贴片与水平枝节的距离为W4＝0.1mm，上、下辐射单元中高阻抗线的长度为g＝0.2mm，宽度为：W5＝0.1mm。
如图6所示，天线在S11<-10dB时频率为：0.8721-1.0225GHz，带宽为150.4MHz，相对带宽为16.4％，全部覆盖915MHz ISM频段。
如图7所示，天线辐射最大增益为-21dBi，可靠传输距离远，传输效率高。
本发明天线方向图呈现偶极子特性，具有较好的全向性。
如图8所示，天线工作在边长为100mm的人体肌肉组织方形模型的正中央，该肌肉模型在频率为915MHz时的相对介电常数εr＝52.7，电导率为σ＝1.73s/m。
该天线具有小型化、带宽大、高增益、抗极化失配、占用胶囊内部体积小等优点。
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 (6)

1.一种用于胶囊内窥镜的全向性共形天线，包括胶囊外壳，其特征在于，还包括平面辐射单元、第一介质基板、第二介质基板、金属地板、共形辐射单元及同轴馈电结构，所述第一介质基板的上表面印制平面辐射单元，其下表面设置金属地板，所述第二介质基板的上表面设置共形辐射单元，所述第二介质基板弯曲成圆柱形结构，内嵌在胶囊外壳内，所述共形辐射单元包括上辐射单元及下辐射单元，所述第一介质基板位于胶囊外壳的中间位置，上辐射单元位于第一介质基板的上方，下辐射单元位于第一介质基板的下方，上、下辐射单元关于胶囊外壳中间位置对称，所述平面辐射单元关于第一介质基板的横轴对称；
所述上辐射单元与下辐射单元结构相同，均包括倒L形枝节、矩形贴片及高阻抗线，所述倒L形枝节由水平枝节及竖直枝节构成，所述矩形贴片内嵌在水平枝节内，所述高阻抗线用于连接倒L形枝节及矩形贴片；
所述平面辐射单元包括圆环贴片、两个半圆贴片及两根高阻抗线，所述两个半圆贴片关于圆环贴片的横轴对称，一个位于在圆环贴片的上半部分，另一个位于圆环贴片的下半部分，所述两根高阻抗线将两个半圆贴片与圆环贴片连接。
2.根据权利要求1所述的全向性共形天线，其特征在于，所述两个半圆贴片在直径的中间位置设有开口。
3.根据权利要求1所述的全向性共形天线，其特征在于，所述上、下辐射单元与平面辐射单元垂直。
4.根据权利要求1所述的全向性共形天线，其特征在于，所述同轴馈电结构位于平面辐射贴片的中心点，由50欧姆的同轴线构成,内芯处于第一介质基板的中心点，外芯为第一介质基板的下方。
5.根据权利要求1所述的全向性共形天线，其特征在于，所述金属地板为圆形结构。
6.根据权利要求1所述的全向性共形天线，其特征在于，所述第一介质基板为圆形结构，其圆形结构的直径与第二介质基板弯曲的圆柱形结构的内直径相同。
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