CN110350298B - 一种双极化微带天线及其构成的吸入式天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微带天线技术领域。本发明公开了一种双极化微带天线及其构成的吸入式天线。本发明的双极化微带天线，包括介质基板顶层的第一辐射单元和所述介质基板底层的第二辐射单元；其特征在于：所述第一辐射单元为单极子天线，所述第二辐射单元为环形天线；所述单极子天线和环形天线具有对称结构，其对称轴相互平行并位于与介质基板垂直的平面上。本发明的吸入式天线，由上述双极化微带天线卷曲在胶囊内构成。本发明的有益效果是，具有宽频带和双极化天线性能。本发明将处于同一介质基板上的环形天线和单极子天线置于胶囊内，并与胶囊内壁共形构成吸入式天线，可以增加胶囊的内部空间，以便容纳更复杂的微带天线驱动电路。

Description

一种双极化微带天线及其构成的吸入式天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，特别涉及一种用于医学领域的微带天线，具体而言，涉及一种双极化微带天线及其构成的吸入式天线。

背景技术

微带天线是由制作在介质基板2顶层的辐射单元构成的。辐射单元可以是不同形状的金属贴片或金属涂层(即微带线)，如常见的单极子天线就是由一条矩形微带线1构成，如图1所示。矩形微带线的长度L决定了天线的中心频率，矩形微带线的宽度H与天线的带宽有关。单极子天线馈电端口一般位于矩形微带线的一端。介质基板的底层3的金属贴片或金属涂层通常作为接地面，如图2所示。

还有一种常见的微带天线如图3所示，称为环形天线，是由微带线1构成的矩形环。矩形的长和宽决定天线的中心频率。图4示出了一种圆环形微带天线，其中心频率由圆环的半径R决定。环形天线通常都有一个开口34，环形天线的馈电端口35一般都位于环形天线的开口34处。

无论是单极子天线还是环形天线信，在不同的应用环境都可以有各种不同的变形，如变换微带线宽度、折弯微带线等，可以调整天线带宽、阻抗等。

微带天线的应用非常广泛，根据不同的介质基板特性，微带天线可以是半柔性的或柔性的，能够与载体共形，以满足不同的应用要求。微带天线除了应用于常规的通讯设备，如手机等外，其还有一个重要的应用是医疗系统。

用于人体内部的医疗设备主要分为植入式设备和吸入式设备。植入式设备通常固定于人体某个位置，而吸入式设备则会在人体胃肠道中不断变换位置。它们与人体外部基站通信的关键元件是植入式天线和吸入式天线，本专利所涉及的吸入式天线也是一种胶囊天线。

为了减小胶囊天线的体积，通常以微带天线为基础，可用的天线类型较多，如螺旋天线，平面倒F天线，单极子天线，槽形天线，环形天线等。从天线外形看，包括平面天线和共形天线两类。从极化方式看，主要使用线极化方式，而圆极化或双极化应用较少。此外，胶囊天线面临着一系列挑战，如生物兼容性、带宽、与其它元件的电磁兼容、对人体的比吸收率等。

现有技术的吸入式天线主要结构为线极化形式，不如圆极化或双极化天线对于天线位置改变所表现出的健壮性；现有技术的吸入式天线只强调小型化，没有考虑带宽对天线性能的影响，天线带宽都比较窄；现有技术通常采用平面结构的微带天线，不能充分利用载体空间，影响了天线性能的提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双极化微带天线及其构成的吸入式天线，以解决现有技术吸入式天线系统方向敏感、带宽窄的问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种双极化微带天线，包括介质基板顶层的第一辐射单元和所述介质基板底层的第二辐射单元；

其特征在于：

所述第一辐射单元为单极子天线，所述第二辐射单元为环形天线；

所述单极子天线和环形天线具有对称结构，其对称轴相互平行并位于与介质基板垂直的平面上。

在某些实施例中，所述环形天线的馈电端口和/或单极子天线的馈电端口设置在所述对称轴上。

在某些实施例中，所述环形天线的馈电端口和单极子天线的馈电端口位于介质基板同一侧。

在某些实施例中，所述环形天线为矩形环。

在某些实施例中，所述矩形环具有折弯结构。

在某些实施例中，所述单极子天线由宽度不同的微带线串联构成。

在某些实施例中，距离单极子天线馈电端口最远的微带线具有分叉结构，每一条分叉长度相同或不同。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的另一个方面，提供了一种吸入式天线，其特征在于：

由上述任意双极化微带天线卷曲在胶囊内构成。

在某些实施例中，双极化微带天线卷曲方向与其对称轴平行或垂直。

在某些实施例中，所述胶囊内置天线驱动电路。

本发明的有益效果是，具有宽频带和双极化天线性能。进一步的，使用不均匀线宽的环形天线来实现宽带特性，并通过弯折环形天线的上下两边来使其小型化。更进一步的，对单极子天线进行优化，展宽带宽。本发明将处于同一介质基板上的环形天线和单极子天线置于胶囊内，并与胶囊内壁共形构成吸入式天线，可以增加胶囊的内部空间，以便容纳更复杂的天线驱动电路。进一步的，采用与微带天线对称轴平行或垂直的优选卷曲方式，可以大大降低卷曲后对天线性能的影响。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为单极子天线结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为矩形环环形天线结构示意图；

图4为圆环形环形天线结构示意图；

图5为实施例单极子天线结构示意图；

图6为图5的A-A剖视图；

图7为实施例环形天线结构示意图；

图8为吸入式天线系统回波损耗和隔离仿真结果示意图；

图9为2.45GHz时单极子天线激励二维远场增益方向图仿真结果示意图；

图10为2.45GHz时环形天线激励二维远场增益方向图仿真结果示意图；

附图中：

1——微带线；

2——介质基板；

3——底层；

4——金属探针；

11——第一段微带线；

12——第二段微带线；

13——第三段微带线；

31——镂空区域；

32——阶梯结构；

33——折弯结构；

34——矩形环的开口；

35——环形天线馈电端口；

41——单极子天线馈电端口顶层焊盘；

43——单极子天线馈电端口底层焊盘；

131——第一分叉；

132——第二分叉；

133——第三分叉；

L——微带线长度；

H——微带线宽度；

t——介质基板厚度；

OO——环形天线的对称轴；

PP——单极子天线的对称轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的双极化微带天线，包括介质基板顶层的第一辐射单元和所述介质基板底层的第二辐射单元。

本发明采用了两个辐射单元，第一辐射单元为单极子天线，第二辐射单元为环形天线。由于单极子天线为水平极化天线，环形天线为垂直极化天线，这样就在一张介质基板上实现了双极化天线系统的布局结构。

双极化天线系统有利于降低天线系统的方向敏感性，特别适合方向不确定和方向变化无常的特殊应用场合，如吸入式天线等。

另一方面，双极化天线系统还能够增加信道容量和缓解通信中的多径衰减问题。

本发明的单极子天线和环形天线都具有对称结构，其对称轴相互平行并位于与介质基板垂直的平面上。

这种结构，如果忽略基片厚度，可以认为单极子天线和环形天线的对称轴是重合的。这使得单极子天线和环形天线的隔离度得到加强，相互干扰可以大大降低，特别是当天线进行卷曲时，该优点会更加突出。

实施例

本例双极化微带天线结构如图5、图6和图7所示，由介质基板2顶层的第一辐射单元和介质基板2底层的第二辐射单元构成。介质基板2的材料为Rogers6010，介电常数为10.2，厚度t为0.254mm。

本例第一辐射单元是由宽度不同的微带线1串联构成的三级阶梯单极子天线。微带线1分成第一微带线11、第二微带线12和第三微带线13，如图5所示。图中PP为单极子天线的对称轴。

本例中，第一微带线11比较细，其特征阻抗约为50欧姆，用于匹配馈电阻抗。第一微带线11端部为单极子天线馈电端口顶层焊盘41，用于连接金属探针4，这里也是单极子天线的馈电端口。金属探针4的作用是将单极子天线的馈电端口引导到介质基板2底层的单极子天线馈电端口底层焊盘43上，并从这里引入激励信号，如图7所示。

本例中，第二微带线12作为第一微带线11和第三微带线13之间的过渡段，具有阻抗匹配作用，其宽度大于第一微带线11小于第三微带线13，参见图5所示。

本例中，第三微带线13具有分叉结构，如图5所示，分别为第一分叉131、第二分叉132和第三分叉133。这种分叉结构拓展了单极子天线的带宽，本例中，每一条分叉采用了不同的长度，如图5所示，第一分叉131与第三分叉133长度和宽度相等，第二分叉132长度小于第一分叉131和第三分叉133。这种不同长度的分叉，具有不同的谐振频率，可以形成多个谐振点，进一步展宽单极子天线带宽。

参见图7，本例双极化微带天线中采用的环形天线为矩形环。

本例环形天线是通过在介质基板2底层3中挖出一个矩形开口，利用周边的金属作为反射单元，从而尽量保留底层3的导电面积。这种结构可以将底层的导电面积作为顶层单极子天线的残损接地面，能够有效地改善单极子天线的阻抗匹配。

为了降低天线尺寸并拓展环形天线带宽，本例矩形环的短边具有阶梯结构32，矩形环的长边具有折弯机构33，如图7所示。图中，OO为环形天线的对称轴。

本例环形天线的开口34和馈电端口35都位于对称轴OO上，如图7所示。单极子天线的馈电端口，通过金属探针4连接到底层3的镂空区域31中心单极子天线馈电端口底层焊盘43上，这样就使得顶层的单极子天线和底层的环形天线馈电端口都位于介质基板底层，便于卷曲后制作成胶囊天线时馈电。

由图5和图7可以看出，单极子天线的对称轴PP和环形天线的对称轴OO相互平行并位于与介质基板垂直的平面上，如果忽略介质基板2的厚度，对称轴PP和对称轴OO就是同一直线。

本例双极化微带天线卷曲在胶囊内，就可以构成吸入式天线，胶囊内还可以布置微带天线驱动电路。

本发明推荐的双极化微带天线卷曲方向是与天线对称轴平行或垂直，可以最大限度利用胶囊的空间，并降低卷曲后对天线性能的影响。

本例吸入式天线系统仿真结论

仿真环境：

仿真模型为一个60*60*70mm³的长方体人体肌肉组织，在2.45GHz时的介电常数为52.73，电导率为1.74S/m。胶囊天线位于仿真模型的中心，胶囊的长轴与直角坐标系的yz平面垂直。胶囊天线贴附于胶囊内壁。胶囊由一个长为15mm，内半径为5mm，厚度为0.5mm的圆柱体和位于两端的两个内半径为5mm，厚度为0.5mm的半球形胶囊帽构成。胶囊由相对介电常数为3，损耗角正切为0.001的丙烯酸材料制作。

图8给出了本例天线的S参数，包括反射系数和隔离度。S11为单极子天线的反射系数，可以看出它的-10dB带宽为13GHz(从1.47GHz-14.48GHz)；S22为环形天线的反射系数，它的-10dB带宽约为13GHz(从2.19GHz-15GHz)。可见，本例双极化天线具有非常宽的带宽，远大于已经报道过的常规双极化天线。进一步，该天线具有很好的隔离度，在所要求的带宽内隔离度S21均低于-50dB，这在吸入式天线中是比较优秀的。

图9为激励单极子天线馈电端口时天线在2.45GHz时XZ面(phi＝0deg)和YZ面(phi＝90deg)的辐射方向图，此时主极化为水平极化。从图中可以看出，该天线在谐振频率上呈现沿法线的定向辐射特性，且交叉极化水平均低于-30dB。

图10为激励馈电端口35时天线在2.45GHz时XZ面(phi＝0deg)和YZ面(phi＝90deg)的辐射方向图，此时主极化为垂直极化。从图中可以看出，该天线在谐振频率上呈现双向辐射特性，且交叉极化水平均低于-30dB。

仿真实验说明，本发明的双极化微带天线非常适合用于构成吸入式天线系统，而且构成的吸入式天线各项性能都有所提高。

Claims (4)

1.一种双极化微带天线，包括介质基板顶层的第一辐射单元和介质基板底层的第二辐射单元；

其特征在于：

所述第一辐射单元为单极子天线，所述第二辐射单元为环形天线；

所述单极子天线和环形天线具有对称结构，其对称轴相互平行并位于与介质基板垂直的平面上；所述环形天线的馈电端口和单极子天线的馈电端口设置在对称轴上且同时位于对称轴的左侧或右侧；

所述环形天线为矩形环，所述矩形环的长边具有折弯结构，短边具有阶梯结构；

所述单极子天线由宽度不同的第一微带线、第二微带线和第三微带线串联构成，距离单极子天线馈电端口最远的第三微带线具有分叉结构；所述分叉结构包括第一分叉、第二分叉和第三分叉，第一分叉与第三分叉的长度和宽度相等，第二分叉长度和宽度均小于第一分叉和第三分叉。

2.一种吸入式天线，其特征在于：由权利要求1所述的双极化微带天线卷曲在胶囊内构成。

3.根据权利要求2所述的一种吸入式天线，其特征在于：双极化微带天线卷曲方向与其对称轴平行或垂直。

4.根据权利要求2所述的一种吸入式天线，其特征在于：胶囊内置有天线驱动电路。