CN111585009B - 一种全向圆极化胶囊天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向圆极化胶囊天线，包括圆柱形柔性介质胶囊外壳、金属棒、金属圆柱筒、第一金属条带和第二金属条带，柔性介质胶囊外壳内从上至下依次设有上介质基板、中介质基板和下介质基板，金属棒和金属圆柱筒设于胶囊外壳内，同时在每个金属圆柱两边添加第一金属条带和第二金属条带，金属圆柱筒内设有电子元件容置空间。本发明通过将天线的各个结构进行一体化设计，具有稳定的全向辐射模式，通过将电池、电子元器件等置于金属圆柱筒内部，从而弱化了它们对天线辐射带来的影响。由于胶囊天线在肠道内的位置的不确定性，本发明的全向圆极化胶囊天线有助于保持天线与外部天线的稳定通信。

Description

一种全向圆极化胶囊天线
技术领域
本发明涉及无线胶囊内窥镜天线技术领域，具体说是一种全向圆极化胶囊天线。
背景技术
随着现代医疗设备的不断发展，病人在治疗疾病的时候，对治疗过程的舒适度提出了更高的要求，导致人们对无线医疗设备的需求越来越高。改善人体健康也是科学研究的一个重要课题。为了满足病人的需求，已经有许多专家学者投入到无线医疗设备的研究中。天线做为信号传输的重要器件，发挥了不可替代的作用。胶囊天线作为无线胶囊内窥镜的一个重要组成部分，在无线医疗设备中发挥了不可代替的作用。在现代医学中，很常见的是使用有线内窥镜系统的诊断和医学治疗，但是，使用有线内窥镜检查对于患者来说是很痛苦的，并且由于人体的胃肠道是蜿蜒曲折的，有线内窥镜的很难达到理想的位置，所以有线内窥镜检查具有一定的局限性。然而，无线胶囊内窥镜能够克服这些缺点，所以，无线胶囊内窥镜Wireless Capsule Endoscopy（WCE）应运而生。胶囊天线作为无线胶囊内窥镜的重要部分，可以在减少病人不适感的情况下，获得准确的病情，因此WCE技术可以很好的应用到无线医疗中。
传统的胶囊天线尺寸较大，不能实现全向辐射模式，目前为止，对圆极化全向辐射的胶囊天线还没有报道。同时，无线胶囊内窥镜还需要配置电池、接收机等电子元件，不仅使得内窥镜的空间非常紧张，造成不能使内窥镜进一步小型化，而且，还存在电子元件对天线辐射性能产生不良影响的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种全向圆极化胶囊天线。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种全向圆极化胶囊天线，包括圆柱形柔性介质胶囊外壳、金属棒、金属圆柱筒、第一金属条带和第二金属条带，所述柔性介质胶囊外壳内从上至下依次设有上介质基板、中介质基板和下介质基板，所述上介质基板和中介质基板上分别设有尺寸与所述金属棒端部尺寸相适配的通孔，所述金属棒的两端分别内嵌于上介质基板和中介质基板的通孔内，所述中介质基板和下介质基板的相对表面分别设有与所述金属圆柱筒端部尺寸相适配的内嵌槽，所述金属圆柱筒的两端分别内嵌于所述中介质基板和下介质基板的内嵌槽内；所述第一金属条带设于所述上介质基板上表面和柔性介质胶囊外壳的内侧表面，所述金属棒的上端与所述第一金属条带连接，金属棒与所述金属圆柱筒之间设有馈电金属探针；所述第二金属条带设于所述柔性介质胶囊外壳的内侧表面和中介质基板的下表面，第二金属条带与金属圆柱筒接触链接；所述金属圆柱筒内设有电子元件容置空间，所述柔性介质胶囊外壳的底端设有绝缘板。
本发明进一步的设计方案中，上述柔性介质胶囊外壳的内侧表面两侧的第一金属条带和第二金属条带分别为多次90°折弯的L型金属条带，且分别相对于中心轴对称。
本发明进一步的设计方案中，上述柔性介质胶囊外壳的柔性介质材料采用聚酰亚胺或聚酰胺或聚四氟乙烯中的一种或者几种。
本发明进一步的设计方案中，上述金属棒、金属圆柱筒、第一金属条带和第二金属条带产生的纵向电流和环形电流具有相同电流大小，并且纵向电流和环形电流的相位差为90°。
本发明具有以下突出的有益效果：
本发明的全向圆极化胶囊天线在胶囊内部有两个金属圆柱，同时每个金属圆柱的两边都有两个L形条带，天线通过底部的同轴馈电，通过充分利用胶囊内部的空间，以及调整胶囊内部金属圆柱和L型条带的尺寸，可以让此设计在915MHz工业、科学和医疗（ISM）频段实现稳定的全向辐射模式，同时实现俯仰面半功率波瓣宽度内的360°全向圆极化辐射功能。可以让天线在传输过程中避免多径损耗和极化失配，让胶囊天线和外部接收天线实现稳定的数据传输。本发明提供的全向圆极化胶囊天线，通过将天线的各个结构进行一体化设计，充分利用胶囊内部空间，使得天线能够小型化，且易于加工，具有稳定的全向辐射模式，通过将电池、电子元器件等置于金属圆柱内部，从而弱化了它们对天线辐射带来的影响。由于胶囊天线在肠道内的位置的不确定性，本发明的全向圆极化胶囊天线有助于保持天线与外部天线的稳定通信。因此本文所设计的全向圆极化胶囊天线可以很好的应用在未来的无线内窥镜的医疗诊断监测系统上。
附图说明
图1是实施例中全向圆极化胶囊天线结构示意图；
图2是实施例中全向圆极化胶囊天线放置于人体模型内的仿真反射系数图；
图3是实施例中全向圆极化胶囊天线放置于人体模型内的仿真轴比图；
图4是实施例中全向圆极化胶囊天线的3D辐射方向图；
图5是实施例中全向圆极化胶囊天线的xoy面辐射方向图；
图6是实施例中全向圆极化胶囊天线在俯仰面半功率波瓣宽度内的轴比图；
图中，1-柔性介质胶囊外壳，2-金属棒，3-金属圆柱筒，4-第一金属条带，5-第二金属条带，6-上介质基板，7-中介质基板，8-下介质基板，9-馈电金属探针。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例
参见附图1，一种全向圆极化胶囊天线，包括圆柱形柔性介质胶囊外壳1、金属棒2、金属圆柱筒3、第一金属条带4和第二金属条带5，柔性介质胶囊外壳1内从上至下依次设有上介质基板6、中介质基板7和下介质基板8，上介质基板6和中介质基板7上分别设有尺寸与金属棒2端部尺寸相适配的通孔，金属棒2的两端分别内嵌于上介质基板6和中介质基板7的通孔内，中介质基板7和下介质基板8的相对表面分别设有与金属圆柱筒3端部尺寸相适配的内嵌槽，金属圆柱筒3的两端分别内嵌于中介质基板7和下介质基板8的内嵌槽内；三块介质基板的材料可以为罗杰斯或FR4，主要作用是作为支撑固定以固定胶囊内部的金属棒2和金属圆柱筒3；第一金属条带4设于上介质基板6上表面和柔性介质胶囊外壳1的内侧表面，金属棒2的上端与第一金属条带4连接，金属棒2与金属圆柱筒3之间设有馈电金属探针9；第二金属条带5设于柔性介质胶囊外壳1的内侧表面和中介质基板7的下表面，第二金属条带5与金属圆柱筒3接触链接；金属圆柱筒3内设有电子元件容置空间，可以将电池、接收机等电子元件放置其中，有效解决电子元件放置所产生的空间不足的问题，同时可以避免电子元件对天线辐射性能的影响，屏蔽电池对天线性能的影响，并且结构简单，加工方便。设于柔性介质胶囊外壳1的内侧表面两侧的第一金属条带4和第二金属条带5分别为多次90°折弯的L型金属条带，且分别相对于中心轴对称。柔性介质胶囊外壳1的柔性介质材料采用聚酰亚胺。因为聚酰亚胺外壳具有生物相容性，所以可以与人体组织直接接触。其中聚酰亚胺的介电常数为3.5、损耗正切角为0.008、外壳的厚度为0.07mm。上下层介质基板的材料为Rogers RO4350，介电常数为3.66、损耗正切角为0.004。以上天线的设计过程中，所有散射参数均由电磁仿真软件HFSS15.0优化设计得到。天线最底端有个绝缘板10，材料为泡沫，以隔绝导电。整个胶囊天线是一个圆柱形，圆柱的底面半径为5.5mm，圆柱的高20mm，整个天线的体积为π × 5.52 × 20 mm3。
金属棒2、金属圆柱筒3、第一金属条带4和第二金属条带5的尺寸和位置也是在天线的设计过程中由电磁仿真软件HFSS15.0优化设计得到，设计时调节第一金属条带4和第二金属条带5在柔性介质胶囊外壳1的内侧表面的L型条带和内部金属圆柱的大小尺寸，达到水平电流和纵向电流幅度相同，相位相差90°，即可实现圆极化辐射。且为了让俯仰面实现更好的圆极化性能，与底部金属圆柱筒3连接的两个L型金属条带同时逆时针（从顶部看）旋转α角，相对于与顶部金属圆柱筒3连接的L型金属条带。金属棒2、金属圆柱筒3、第一金属条带4和第二金属条带5产生的纵向电流和环形电流具有相同电流大小，并且纵向电流和环形电流的相位差为90°，成功地实现了相同幅度和相位差为90°的纵向电流和环形电流，即可实现圆极化辐射。这样可以让天线在915MHzISM频段实现稳定的全向辐射的功能，同时实现俯仰面半功率波瓣宽度内的360°全向圆极化辐射功能覆盖医用的ISM频段（915MHz），适用于未来无线内窥镜的医疗诊断监测系统。
附图2是全向圆极化胶囊天线放置于人体模型内的仿真反射系数图，从图中可知，本实施例中的胶囊天线可以在915MHzISM频段实现很好的工作性能，阻抗匹配可以达到-35dB,带宽达到19%，频带覆盖820到990MHz。
附图3是全向圆极化胶囊天线放置于人体模型内的仿真轴比图，从图中可知，本实施例中的胶囊天线可以在915MHzISM频段实现很好的圆极化辐射，轴比达到20%，频带覆盖840到1090MHz,包含了915MHzISM频段。
附图4是全向圆极化胶囊天线的3D辐射方向图，从图中可知，本实施例中的胶囊天线可以在915MHzISM频段实现很稳的的全向辐射。
从电磁学理论可知，电偶极子（沿z轴方向的纵向电流）和磁偶极子（平面内的小回路）的远场分量分别为Eθ和Eφ，Eθ和Eφ本身已经是幅度相同，相位相差90°，可以产生CP波。本发明的胶囊天线，胶囊内部的金属棒和金属圆柱筒可以实现纵向电流，周围的环形条带可以实现平面内的电流小回路，通过适当调整水平段L型条带和垂直段金属柱及其相对位置，成功地实现了相同幅度和相位差为90°的纵向电流和环形电流，即可实现圆极化辐射。
附图5是全向圆极化胶囊天线的xoy面辐射方向图，从图中可知，本实施例中的胶囊天线可以在xoy实现很稳的的全向辐射,方便于外界的接受装置实现稳定的信号传输。
附图6是全向圆极化胶囊天线在俯仰面半功率波瓣宽度内的轴比图，从图中可知，本实施例中的胶囊天线可以在俯仰面的半功率波瓣宽度内Theta=50°到140°实现全向圆极化辐射（轴比小于3dB），更可以凸显本天线圆极化性能的优越和稳定性，可以有效避免信号传输带来的极化失配和多径损耗。
本发明提供的全向圆极化胶囊天线，通过给天线馈电，可以让天线在915MHz ISM频段实现稳定的全向辐射的功能，同时实现俯仰面半功率波瓣宽度内的360°全向圆极化辐射功能，可以让天线在传输过程中避免多径损耗和极化失配，所设计的全向圆极化胶囊天线工作在915MHz。工作频段为820-995MHz，轴比带宽为843-1100MHz，覆盖了ISM频段（915MHz）。本发明属于单馈点天线，减少了馈点多带来的设计复杂度；不仅可以在水平面实现增益在1dB波动范围内的全向辐射，而且可以在整个工作频段内实现非常稳定的全向辐射。
本发明的全向圆极化胶囊天线通信稳定，能够实现ISM频段稳定的全向辐射，同时实现俯仰面半功率波瓣宽度内的360°全向圆极化辐射功能，在无线医疗上具有很大的应用前景。因此，该全向圆极化胶囊天线在肠道内位置不确定以及发生多径损耗的情况下仍能保持与外界的良好通信，对于未来的无线胶囊内窥镜系统是一个很好的候选者。
与2018年，苏州大学电子与信息工程学院的Ke Zhang和Changrong Liu等人在“Aconformal differentially fed antenna for ingestible capsule system”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 4, pp. 1695-1703, Apr. 2018.提出的一种共形差分馈电胶囊天线相比，本发明中的全向圆极化胶囊天线，能实现圆极化辐射，而共形差分馈电胶囊天线是线极化天线，不能在915MHzISM频段实现圆极化辐射。
与2017年韩国蔚山大学电气工程学院的Rupam Das和Hyoungsuk Yoo在“Awideband circularly polarized conformal endoscopic antenna system for high-speed data transfer”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 6, pp. 2816-2826, Jun. 2017.”设计的一种宽带共形圆极化胶囊天线相比，本发明中方向图可以实现稳定的全向辐射模式，而宽带共形圆极化胶囊天线是沿着+z轴的定向辐射，同时本发明实现俯仰面半功率波瓣宽度内的360°全向圆极化辐射功能，而宽带共形圆极化胶囊天线实现不了这个功能，本发明可以与外界保持稳定良好的通信，且本发明的天线内部设有金属圆柱筒3，金属圆柱筒3作为天线的一个部分，参与天线的辐射，可以容纳电池等电子元件，避免了天线的性能不稳定，能够保证天线更高效的辐射。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种全向圆极化胶囊天线，其特征在于，包括圆柱形柔性介质胶囊外壳(1)、金属棒(2)、金属圆柱筒(3)、第一金属条带(4)和第二金属条带(5)，所述柔性介质胶囊外壳(1)内从上至下依次设有上介质基板(6)、中介质基板(7)和下介质基板(8)，所述上介质基板(6)和中介质基板(7)上分别设有尺寸与所述金属棒(2)端部尺寸相适配的通孔，所述金属棒(2)的两端分别内嵌于上介质基板(6)和中介质基板(7)的通孔内，所述中介质基板(7)和下介质基板(8)的相对表面分别设有与所述金属圆柱筒(3)端部尺寸相适配的内嵌槽，所述金属圆柱筒(3)的两端分别内嵌于所述中介质基板(7)和下介质基板(8)的内嵌槽内；所述第一金属条带(4)设于所述上介质基板(6)上表面和柔性介质胶囊外壳(1)的内侧表面，所述金属棒(2)的上端与所述第一金属条带(4)连接，金属棒(2)与所述金属圆柱筒(3)之间设有馈电金属探针(9)；所述第二金属条带(5)设于所述柔性介质胶囊外壳(1)的内侧表面和中介质基板(7)的下表面，第二金属条带(5)与金属圆柱筒(3)接触链接；所述金属圆柱筒(3)内设有电子元件容置空间，所述柔性介质胶囊外壳(1)的底端设有绝缘板（10）；设于所述柔性介质胶囊外壳(1)的内侧表面两侧的第一金属条带(4)和第二金属条带(5)分别为多次90°折弯的L型金属条带，且分别相对于中心轴对称；所述金属棒(2)、金属圆柱筒(3)、第一金属条带(4)和第二金属条带(5)产生的纵向电流和环形电流具有相同电流大小，并且纵向电流和环形电流的相位差为90°。
2.根据权利要求1所述的全向圆极化胶囊天线，其特征在于，所述柔性介质胶囊外壳(1)的柔性介质材料采用聚酰亚胺或聚酰胺或聚四氟乙烯中的一种或者几种。
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