CN109860991B - 共形宽带圆极化胶囊天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共形宽带圆极化胶囊天线，包括金属构件、柔性介质基板和金属探针。柔性介质基板紧贴于胶囊壳体的内壁，金属构件共形地附着在柔性介质基板面向内壁的一侧。金属构件包括框型金属片、第一金属条和第二金属条。第一金属条位于框型金属片的框内，并且一端连接至框型金属片。第二金属条位于框型金属片的框内，并且与框型金属片和第一金属条间隔开来。金属探针的一端连接至金属构件，另一端穿过柔性介质基板到达柔性介质基板的背面。本发明的共形宽带圆极化胶囊天线，利用第一金属条和第二金属条扰动天线内部的场，使得天线具有良好的圆极化性能及较宽的圆极化带宽，因此信号数据的接收与发送更为可靠。

Description

共形宽带圆极化胶囊天线

技术领域

本发明涉及无线医疗设备技术领域，具体涉及一种用于无线胶囊内窥镜的共形宽带圆极化胶囊天线。

背景技术

无线胶囊内窥镜(Wireless Capsule Endoscopy，WCE)是一种做成胶囊形状的内窥镜，其作为无线植入设备，已广泛应用于医疗诊断和治疗。典型的无线胶囊内窥镜通常包括透明外壳、光源、成像元件、传感器、电池、收发模块和胶囊天线等。无线胶囊内窥镜可以通过口服进入人体，凭借消化道蠕动在消化道内运动从而窥探消化道的健康状况。与传统内腔镜相比，具有检查方便、无创伤、无导线、无痛苦、无交叉感染、不影响受检者的正常工作等优点，扩展了消化道检查的视野，克服了传统的插入式内窥镜所具有的耐受性差、不适用于年老体弱和病情危重等缺陷。然而，人体消化道包括食管、胃、小肠和结肠等器官，它们的电性能存在较大差异。对于传统的采用线极化天线的无线胶囊内窥镜，由于线极化天线的频带窄，因此当这种无线胶囊内窥镜在消化道中游走时，周围环境的变化会使线极化天线发生失调，从而无法维持无线胶囊内窥镜与外部设备的正常通信，影响植入系统的正常工作。此外，人体中的吞入式无线植入设备与外部基站的通信会受到无线植入设备中的天线位置和方向的影响。当前的无线胶囊内窥镜难以保持人体中的无线胶囊内窥镜与外部基站之间的稳定的高质量通信。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提出一种用于无线胶囊内窥镜的共形宽带圆极化胶囊天线，其能够提高置于人体中的无线胶囊内窥镜与外部基站之间的通信质量，同时还能够满足无线胶囊内窥镜的小型化、生物兼容性等特性。

为实现上述目的，本发明提出了一种共形宽带圆极化胶囊天线，包括金属构件、柔性介质基板和两个金属探针。所述柔性介质基板紧贴于胶囊壳体的内壁，并与所述内壁共形。所述金属构件共形地附着在所述柔性介质基板面向所述内壁的一侧，以夹在所述柔性介质基板和所述内壁之间。所述金属构件包括框型金属片、第一金属条和第二金属条。所述第一金属条位于所述框型金属片的框内，并且所述第一金属条的一端连接至所述框型金属片。所述第二金属条位于所述框型金属片的框内，并且与所述框型金属片和所述第一金属条间隔开来。所述两个金属探针的一端分别连接至所述框型金属片和所述第二金属条，另一端穿过所述柔性介质基板到所述柔性介质基板的背面，所述两个金属探针用于对所述金属构件进行馈电。

根据上述共形宽带圆极化胶囊天线，其采用框型金属片作为胶囊天线的地平面，采用第一金属条作为接地桩，并且金属构件的所有金属元件均位于柔性介质基板的同一层，与不同金属片叠加组成的贴片天线相比，本发明的胶囊天线结构更简单，并且更容易构造。本发明的胶囊天线可以利用共面波导馈电，无需金属地，因此这样的胶囊天线具有较宽的工作带宽。本发明的胶囊天线还利用第一金属条和第二金属条扰动天线内部的场，使得天线具有良好的圆极化性能及较宽的圆极化带宽，与线极化天线相比能够减少外部基站对天线位置的限制，因此信号数据的接收与发送更为可靠。此外，金属构件形成的天线弯曲后紧贴胶囊壳体的内壁，与胶囊壳体共形，这样的布置方式与嵌入式天线相比，显著减小了天线在胶囊内部占据的空间，使得胶囊具有更大的内部空间，以便放置其他元件。

优选地，所述框型金属片的形状包括矩形框、圆形环和椭圆形环。

在其中一个实施例中，当所述框型金属片的形状为矩形框时，所述矩形框的各边的宽度不一致。

优选地，所述框型金属片与所述第一金属条连接的第一边的宽度大于该框型金属片的不与第一金属条连接的第二、第三、第四边的宽度。

在其中一个实施例中，所述共形宽带圆极化胶囊天线的馈电方式为共面波导馈电。

在其中一个实施例中，所述第一金属条的形状为L型、U型或T型。

在其中一个实施例中，所述第二金属条的形状为U型，U型的所述第二金属条的其中一个臂的宽度大于另一个臂的宽度。

在其中一个实施例中，所述第二金属条的形状为L型、T型或开口环。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的具有共形宽带圆极化胶囊天线的吞入式胶囊的结构示意图；

图2为图1中的共形宽带圆极化胶囊天线的金属构件的平面展开图；

图3为图1中的共形宽带圆极化胶囊天线沿x-x’方向的剖面视图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的说明书和权利要求书中提及的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。这些术语可以用来将一个特征/要素与另一特征/要素区分开来。因此，本文描述的第一特征/要素可以称为第一特征/要素，类似地，本文讨论的第二特征/要素可以称为第二特征/要素，而不脱离本发明的范围。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或部件的过程、方法、设备或系统没有限定于已列出的步骤或部件，而是可选地还包括没有列出的步骤或部件。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

图1为根据本发明的一个实施例的具有共形宽带圆极化胶囊天线的吞入式胶囊的结构示意图。吞入式胶囊，例如无线胶囊内窥镜，具有透明的胶囊壳体4。胶囊壳体4通常选用具有良好生物兼容性的材料制成。为了便于说明，没有给出常规无线胶囊内窥镜可能包含的位于胶囊壳体内的光源、成像元件、传感器、电池、收发模块等元件。如图1所示，共形宽带圆极化胶囊天线包括片状的金属构件1、矩形的柔性介质基板2和两个金属探针3。柔性介质基板2紧贴于胶囊壳体4的内壁，并与胶囊壳体4的内壁共形。柔性介质基板2是由柔性材料制成的适于弯曲变形的薄基板。金属构件1共形地附着在柔性介质基板2面向胶囊壳体4的内壁的一侧，以夹在柔性介质基板2和胶囊壳体4的内壁之间。由此可见，金属构件1和柔性介质基板2一起与胶囊壳体4共形，并紧贴在胶囊壳体4的内壁。这样的布置方式与嵌入式天线相比，显著减小了天线在胶囊内部占据的空间，使得胶囊具有更大的内部空间，以便放置其他元件。

图2为图1中的共形宽带圆极化胶囊天线的金属构件的平面展开图。金属构件1包括框型金属片11、第一金属条(即，L型金属条)12和第二金属条(即，U型金属条)13。第一金属条12和第二金属条13均位于框型金属片11的框内，不同在于，第一金属条12的一端连接至框型金属片11，而第二金属条13与框型金属片11和第一金属条12间隔开来。在本实施例中框型金属片11的形状为矩形框。这样的结构形状主要用于控制天线槽的大小，从而初始地确定天线的尺寸。本领域技术人员可以理解的是，在实际应用时，可以根据不同的使用环境和装配空间选择不同形状的框型金属片11，如圆形环、椭圆形环或其他任何合适的形状。在本实施例中，第一金属条12的形状为L型，本领域技术人员可以理解的是，在其他实施例中第一金属条12的形状可以为U型、T型或其他任何合适的形状。在本实施例中，第二金属条13的形状为U型，本领域技术人员可以理解的是，在其他实施例中第二金属条13的形状可以为T型、开口环或其他任何合适的形状。

参照图3，并结合图1和2，两个金属探针3的一端分别连接至框型金属片11和第二金属条13，另一端穿过柔性介质基板2到柔性介质基板2的背面。通过位于柔性介质基板2的背面的金属探针的端子可以对金属构件1进行馈电，也就是说，金属构件1的馈电位置位于柔性介质基板2的背面。本发明的胶囊天线可以利用共面波导馈电，无需金属地，因此这样的胶囊天线具有较宽的工作带宽。具体地，在天线带宽增加方面，本发明的胶囊天线采用共面波导馈电，金属构件1的所有金属元件位于柔性介质基板2的一面，馈电位置位于柔性介质基板2的另一面，这样的结构设计能够增大天线的带宽，从而能消除天线位于不同人体器官中时，天线频率偏移造成的通信质量的不稳定问题。

再次参照图1和2，共形宽带圆极化胶囊天线采用框型金属片11作为胶囊天线的地平面，采用第一金属条12作为接地桩，并且金属构件的所有金属元件(11、12和13)均位于柔性介质基板2的同一层，与不同金属片叠加组成的贴片天线相比，这样的胶囊天线结构更简单，并且更容易构造。矩形框的框型金属片11的四条边的宽度可以设计为相同的，也可以为不同的。在本实施例中，为了便于在柔性介质基板2的背面对天线进行馈电，加宽了矩形框的共面波导馈电所在的一边，即矩形框与第一金属条12连接的一边的宽度。由此可见，当框型金属片11的形状为矩形框时，矩形框的各边的宽度可以不一致。框型金属片11的大小能有效地控制天线的开槽大小，从而初始地确定天线的谐振频率。位于框型金属片11的框内的第一金属条12和第二金属条13可以扰动框型金属片11内部的场，使得天线具有良好的圆极化性能及较宽的圆极化带宽，与线极化天线相比能够减少外部基站对天线位置的限制，令信号数据的接收与发送更为可靠。在本实施例中，U型的第二金属条13具有不对称的两个臂，即，其中一个臂的宽度大于另一个臂的宽度。不对称的U型带13能有效地扰动框型金属片11的矩形槽的场分布，调整圆极化的轴比带和阻抗带的位置。L形的第一金属条12则能进一步优化天线的轴比和阻抗性能。

举例来说，对于工作在工业、科学和医疗(ISM)频段(2.4-2.48GHz)的如图1-3所示的共形宽带圆极化胶囊天线，可以采用如下设计：

柔性介质基板2的长边为16.64mm，短边为14.2mm，厚度为0.254mm，介质材料为Rogers 6010，介电常数10.2。整块柔性介质基板2沿半径为5mm的圆柱弯曲，置于胶囊壳体的内部，与内半径为5mm的胶囊壳体的内壁紧贴在一起。L型的第一金属条的两条边的长度分别为4.15mm和4.47mm。U型的第二金属条的三条边的长度分别为8mm、8.76mm和4.6mm。如此设计的工作在ISM频段(2.4～2.48GHz)的共形宽带圆极化胶囊天线，比相同中心频率的贴片天线具有更大的圆极化带宽。

可以理解，本实施例中所涉及的各个尺寸参数只是一种优选实施方式下的情况，不应该作为限制本发明保护范围的条件，其各个尺寸参数可以根据实际需要进行对应的调整。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。例如，描述的各种方法步骤被执行的顺序在可选的实施例中可能被改变，并且在其他可选的实施例中，可以跳过一个或多个方法步骤。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种共形宽带圆极化胶囊天线，包括金属构件、柔性介质基板和两个金属探针，其特征在于：

所述柔性介质基板紧贴于胶囊壳体的内壁，并与所述内壁共形；

所述金属构件共形地附着在所述柔性介质基板面向所述内壁的一侧，夹在所述柔性介质基板和所述内壁之间；

所述金属构件包括框型金属片、第一金属条和第二金属条，所述第一金属条位于所述框型金属片的框内，并且所述第一金属条的一端连接至所述框型金属片，所述第二金属条位于所述框型金属片的框内，并且与所述框型金属片和所述第一金属条间隔开来，所述第二金属条为一端比另一端更宽的不对称金属条；

所述两个金属探针包括第一金属探针和第二金属探针，所述第一金属探针连接至所述第二金属条的加宽的端部并延伸穿过所述柔性介质基板到达所述柔性介质基板的背面，所述第二金属探针连接至所述框型金属片的与所述第二金属条的所述加宽的端部相邻的位置并延伸穿过所述柔性介质基板到达所述柔性介质基板的背面，所述两个金属探针用于从所述柔性介质基板的背面对所述金属构件进行馈电；

所述共形宽带圆极化胶囊天线的馈电方式为共面波导馈电。

2.根据权利要求1所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，所述框型金属片的形状为矩形框、圆形环或椭圆形环。

3.根据权利要求2所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，当所述框型金属片的形状为矩形框时，所述矩形框的各边的宽度不一致。

4.根据权利要求3所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，所述框型金属片与所述第一金属条连接的第一边的宽度大于该框型金属片的不与第一金属条连接的第二、第三、第四边的宽度。

5.根据权利要求1所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，所述第一金属条的形状为L型、U型或T型。

6.根据权利要求1所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，所述第二金属条的形状为U型，U型的所述第二金属条的其中一个臂的宽度大于另一个臂的宽度。

7.根据权利要求1所述的共形宽带圆极化胶囊天线，其特征在于，所述第二金属条的形状为L型、T型或开口环型。

Images