CN110943288A - 一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，将包含有不同浓度的葡萄糖溶液放置在可编程天线上，所述可编程天线包括介质基板、PIN二极管、单片机电路以及至少两个对称设置的J型超材料结构单元，所述PIN二极管和J型超材料结构单元设置于介质基板上，所述单片机电路设置于介质基板背面，所述单片机电路与J型超材料结构单元、PIN二极管构成一个回路。本发明通过客户端控制单片机电路来调控PIN二极管的通断达到控制天线谐振状态的目的。本发明能量从馈线端沿着J型超材料结构单元向另一端传输，通过PIN二极管和单片机电路控制两个J型超材料结构单元的状态，以实现多状态检测葡萄糖浓度，找到检测葡萄糖溶液灵敏度最大的状态，从而提高葡萄糖浓度检测的准确性和精度。

Description

一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线。
背景技术
目前葡萄糖的检测从检测方式上来划分可以分为两类：有创检测和无创检测。有创检测一般具有测量精度高，应用性广等优点，一般采用指尖取血和静脉取血两种方式，在医疗领域广泛使用。无创检测具有非破坏性且快速方便、实时等优点，微波法检测作为无创检测的一种因贴合5G时代发展而备受重视。微波法检测主要是利用微波物理特性和被检测物电磁特性的改变从而导致微波基本参数的变化来实现待测物的无损检测。其中微波法又可以分为传输线法、谐振腔法和穿透法等，传输线法具有易集成、小型化、方便快捷的优点。
然而，现有技术中葡萄糖的有创检测工序复杂，易造成皮肤感染，也不能对血糖值进行实时监控，影响诊治，且一次性物品的频繁使用，导致成本较大。微波法检测中的谐振腔法和穿透法一方面样品用量大，另一方面检测结构庞大，不易携带。微波法检测中的传输线法采用的葡萄糖传感器大多利用单一频点检测，结果单一，只能进行重复检测保证结果的准确性；使用不够灵活，无法实现智能化，与智能生活对接。综上，现在葡萄糖浓度的检测工序复杂、效率低，不能智能化且不适应机械学习的需求。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，检测方便快捷，适用于多种智能设备，与目前的机器学习和人工智能相吻合，以解决现有技术中微波传输线天线仅能在固定频率检测浓度无法保证结果稳定精确，且无法匹配于机器学习的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于检测葡萄糖浓度的可编程谐振天线，将包含有不同浓度的葡萄糖溶液放置在可编程天线上，所述可编程天线包括介质基板、PIN二极管、单片机电路以及至少两个对称设置的J型超材料结构单元，所述PIN二极管和所述J型超材料结构单元设置于所述介质基板上，所述单片机电路设置于所述介质基板背面，所述单片机电路与所述J型超材料结构单元、所述PIN二极管构成一个回路。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，每个所述J型超材料结构单元包括两个对称设置的J型超材料结构。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，所述J型超材料结构包括第一贴片和第二贴片，所述PIN二极管位于所述第一贴片和第二贴片中间。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，两个所述J型超材料结构单元包括至少4种不同的谐振状态。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，所述介质基板为环氧玻纤布基板。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，所述介质基板的厚度为2.5mm。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，所述J型超材料结构由铜组成，所述铜的厚度为35um。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，每个所述J型超材料结构单元的长度为5.3mm，宽度为9.1mm。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，两个所述J型超材料结构单元之间的缝隙间隔为0.4mm。
优选的，上述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，所述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线的工作频率为4.2GHZ-5.8GHZ。
与现有技术相比，本发明用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，将包含有不同浓度的葡萄糖溶液放置在可编程天线上，所述可编程天线包括介质基板、PIN二极管、单片机电路以及至少两个对称设置的J型超材料结构单元，所述PIN二极管和所述J型超材料结构单元设置于所述介质基板上，所述单片机电路设置于所述介质基板背面，所述单片机电路与所述J型超材料结构单元、所述PIN二极管构成一个回路。本发明通过客户端控制单片机电路来调控PIN二极管的通断达到控制天线谐振状态的目的。本发明能量从馈线端沿着J型超材料结构单元向另一端传输，通过PIN二极管和单片机电路控制两个J型超材料结构单元的状态，以实现多状态检测葡萄糖浓度，找到检测葡萄糖溶液灵敏度最大的状态，从而提高葡萄糖浓度检测的准确性和精度。本发明利用PIN二极管控制天线状态，满足机器学习对多状态的要求，能适应未来医疗设备智能化的趋势。相比已有的葡萄糖天线传感器，本发明可编程天线具有控制方便，检测数据稳定、准确，易集成、，适用范围广的优点。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明实施例可编程天线结构示意图；
图2：本发明实施例两个J型超材料结构单元示意图；
图3：本发明实施例可编程天线与客户端、网络分析仪和数据分析模块组成的结构示意图；
图4：本发明实施例中00这一状态检测3.8mmol/L,3.9mmol/L,4mmol/L三种浓度的葡萄糖溶液的S11曲线图；
图5：本发明实施例中4种状态分别检测3.9-4mmol/L葡萄糖浓度区间时S11的差值曲线图；
图6：本发明实施例中检测不同葡萄糖浓度时对应的最灵敏状态示意图；
图7：本发明实施例单片机电路结构框图；
图8：本发明实施例天线和单片机之间构成的电路回路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种可编程天线，包括介质基板1、PIN二极管2、单片机电路4以及至少两个对称设置的J型超材料结构单元3，所述PIN二极管2和所述J型超材料结构单元3设置于所述介质基板1上，所述单片机电路4设置于所述介质基板1背面，所述单片机电路4与所述J型超材料结构单元3、所述PIN二极管2构成一个回路，本发明通过控制PIN二极管的导通与断开来控制天线不同的谐振状态，以实现多状态检测葡萄糖浓度并提高灵敏度的目的。
本发明实施例能量从馈线端沿着J型超材料结构单元3向另一端传输，通过PIN二极管2和单片机电路4控制两个J型超材料结构单元的状态，以实现多状态检测葡萄糖浓度，找到检测灵敏度最大的状态，从而提高葡萄糖浓度检测的准确性和精度。本发明可编程的智能天线，可根据未来智能化设备的需求，通过控制PIN二极管2的开关，无创地获得期望的高精确度葡萄糖检测浓度，在保持天线整体结构不变的情况下，实现对血糖浓度地实时监控。
如图1所示，本发明每个所述J型超材料结构单元3包括两个对称设置的J型超材料结构。本发明两个J型超材料结构单元3呈轴对称分布，位于介质基板1的一端，靠近此端为阻抗匹配和射频输入。实施中，能量从馈线端沿着J型超材料结构单元3向介质基板1的另一端传输，通过PIN二极管2控制每个J型超材料结构单元3的状态，以实现多状态检测葡萄糖浓度。
如图2所示，优选的，本发明J型超材料结构包括第一贴片31和第二贴片32，所述PIN二极管2位于第一贴片31和第二贴片32缝隙中间。两个所述J型超材料结构单元之间的缝隙间隔d为0.4mm；PIN二极管所处位置的第一贴片31与第二贴片32之间的缝隙间隔f为0.2mm；每个所述J型超材料结构单元中两个J型超材料结构之间的缝隙间隔h为0.3mm。
优选的，本发明介质基板1的厚度为2.5mm，长度为40mm，宽度为31mm。其中，每个所述J型超材料结构单元的长度为5.3mm，宽度为9.1mm。具体实施中，所述J型超材料结构包括馈线的长度为17mm，宽度为11mm。本发明用于检测葡萄糖浓度的可编程天线的工作频率为4.2GHz-5.8GHz，尺寸小，易于集成，检测方便快捷，适用于多种智能设备，在不改变天线结构的基础上改变状态，与目前的机器学习和人工智能相吻合，易于使用在各种智能生活中。
优选的，本发明J型超材料结构由铜(Cu)组成，所述铜的厚度为35um。实施中，本发明PIN二极管2的导通电压是0.8V，型号为MACOM MA4FCP300。本发明葡萄糖浓度检测可编程天线具有控制方便，结构简单，实用性高，测量结果稳定准确的优点。
如图2所示，本发明提供的其中一个实施例共设置了4个PIN二极管2在介质基板1上。具体实施中，本发明通过客户端发送状态控制指令，本实施例两个所述J型超材料结构单元包括4种不同的谐振状态。其中PIN二极管导通为1，闭合为0，则4种状态分别为00、10、01、11。具体的，“00”状态表示介质基板1的4个PIN二极管均处于断开状态；“10”状态表示介质基板1的左端一个J型超材料结构单元上的两个PIN二极管均处于导通状态，右端另一个J型超材料结构单元上的两个PIN二极管均处于断开状态；“01”状态表示介质基板1左端J型超材料结构单元上的两个PIN二极管均处于断开状态，右端另一个J型超材料结构单元上的两个PIN二极管均处于导通状态；“11”状态表示介质基板1上的4个PIN二极管均处于导通状态。
优选的，本发明实施例可在单片机电路4上设置四个LED灯。实施中，本发明在客户端分别发送上述四种状态，可对应单片机电路4上的四种不同的LED亮灯情况。如图3所示，不同状态时将葡萄糖不同浓度的溶液放置在可编程天线上，通过网络分析仪发射微波信号经过溶液和天线后以S参数的图像形式表示出来，然后再将这些图像通过数据分析模块进行数据分析，从而得到较为稳定而精准的葡萄糖溶液浓度值。
具体的，本发明实施例对前述4种状态都分别进行了葡萄糖溶液的检测，葡萄糖浓度从0mmol/L到6mmol/L变化，并以0.1mmol/L浓度步进，不同溶液对应不同S参数图像。在00状态时分别检测3.8mmol/L，3.9mmol/L和4mmol/L三种浓度的葡萄糖溶液的S11曲线图如图4所示。类似的，另三个状态检测不同浓度时也有不同的S11曲线变化图。对于0.1mmol/L的浓度差时，4种状态在不同浓度谱上灵敏度不同，如图5所示，将4种状态分别检测3.9-4mmol/L的葡萄糖浓度区间时呈现出的S11差值曲线图，从图中明显可以看出01状态检测此浓度区间最灵敏。类似的，依次找出葡萄糖浓度谱上各个浓度4种状态的最灵敏检测状态。如图6所示，在0-2mmol/L和3.4-4.8mmol/L的葡萄糖浓度范围中，01状态检测葡萄糖浓度在四种状态中最敏感；在2-3.2mmol/L的葡萄糖浓度范围中，00状态检测最敏感；在3.2-3.4mmol/L和4.8-6mmol/L的浓度范围下，10状态检测最敏感。本发明实现了不同天线状态检测不同浓度葡萄糖液体灵敏度不同，如此可以对接机器学习等技术得到更准确更详实的葡萄糖浓度谱的最灵敏状态图。
本发明介质基板1为环氧玻纤布基板。本发明所采用的单片机电路4中的单片机芯片型号为STM32042K6T6，具有USB调试的功能。
如图7所示，具体的，本发明所采用的单片机电路4是一种可控的多路电压控制系统，该系统中控制PIN二极管的通断状态需要数字电压，因此采用单片机的通用I/O接口，由于本发明可编程天线具有两个J型超材料结构单元，故需要4个PIN二极管控制天线状态，相应就需要4路通用I/O接口控制电压。具体实施中，单片机通过4路通用I/O接口分别输出4路供压Vc，然后各路再分别与PIN二极管相连，形成4路电路回路。如图8所示为1路通用I/O接口控制电压的电路示意图，其中，D代表PIN二极管。4路通用I/O接口通过控制LED的状态来显示PIN二极管的导通状态，故本发明优选采用了具有32个引脚的STM32f042K6T6单片机芯片，且该单片机芯片同时支持USB协议。
实施中，程序录入到单片机芯片，晶体振荡器为单片机芯片起振，客户端控制口也即USB接口除了烧录程序外还具有供电的作用，USB接口作为电源供电5V电压，通过稳压芯片A1117B将5V的电源转换成3.3V供给单片机芯片及程序录入键，最后由单片机I/O接口输出4路电压分别输送给4个PIN二极管，从而调控天线。另外，单片机电路4中复位键可以进行复位操作，以确定系统中各个部件的初始状态，并从该状态开始工作。经过程序调试，在客户端输入状态可以同时控制PIN二极管和电路输出的电平状态，达到调试良好并满足设计需求的目的。
优选的，本发明将单片机电路4与介质基板1背面的引脚焊接在一起，构成一个电路回路，具体实施中，单片机通过I/O接口控制输出供压Vc，然后连接电阻R后通过介质基板1中嵌入的铜柱再连接电感L，如图8所示。
针对现有的葡萄糖检测天线单一频点检测、重复多次检测、不可复用相比，本发明能实现同时多频点检测同一浓度葡萄糖溶液，保证了检测结果的稳定性和准确性。本发明通过PIN二极管通断状态实现天线的多状态，适用于机器学习，并以此可实现可编程的智能化通信需求。本发明结构简单，易于集成，适用于多种智能化设备。
综上，本发明利用PIN二极管开关来控制天线状态，实现葡萄糖浓度检测的稳定性和精确性，同时能利用机器学习来学习多状态的特点，进而实现对葡萄糖浓度的精确检测。本发明结构简单，易集成，使用方便，检测方便快捷。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于，将包含有不同浓度的葡萄糖溶液放置在可编程天线上，所述可编程天线包括介质基板、PIN二极管、单片机电路以及至少两个对称设置的J型超材料结构单元，所述PIN二极管和所述J型超材料结构单元设置于所述介质基板上，所述单片机电路设置于所述介质基板背面，所述单片机电路与所述J型超材料结构单元、所述PIN二极管构成一个回路。
2.根据权利要求1所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：每个所述J型超材料结构单元包括两个对称设置的J型超材料结构。
3.根据权利要求2所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：所述J型超材料结构包括第一贴片和第二贴片，所述PIN二极管位于所述第一贴片和第二贴片中间。
4.根据权利要求1所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：两个所述J型超材料结构单元包括至少4种不同的谐振状态。
5.根据权利要求1所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：所述介质基板为环氧玻纤布基板。
6.根据权利要求1或5所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：所述介质基板的厚度为2.5mm。
7.根据权利要求2所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：所述J型超材料结构由铜组成，所述铜的厚度为35um。
8.根据权利要求1所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：每个所述J型超材料结构单元的长度为5.3mm，宽度为9.1mm。
9.根据权利要求2所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：两个所述J型超材料结构单元之间的缝隙间隔为0.4mm。
10.根据权利要求1所述的用于检测葡萄糖浓度的可编程天线，其特征在于：所述用于检测葡萄糖浓度的可编程天线的工作频率为4.2GHZ-5.8GHZ。
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