CN111613871B - 一种胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线 - Google Patents

一种胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，包括：天线辐射单元、金属底板和同轴馈电探针；天线辐射单元呈半球形形状，在天线辐射单元外侧开孔，同轴馈电探针通过天线辐射单元上的开孔进入天线内部，在金属底板上除在同轴馈电探针与金属底板的接触位置及其边缘位置不镀银外的其他位置镀银。本申请将新型介质谐振器天线应用于胶囊内窥镜中能够提高胶囊天线效率，使用探针馈电方式和半球形介质谐振器实现天线小型化，增大胶囊内部的净空，提高放置其它设备空间的同时降低部件之间的电磁干扰，实现数据的有效传输。

Description

一种胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线
技术领域
本申请涉及体内通信技术领域，尤其涉及一种胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线。
背景技术
无线胶囊内窥镜系统要建立体内与体外之间可靠的通信，在很大程度上取决于胶囊内部的天线性能好坏。胶囊在人体内的位置和方向具有不确定性，并且胶囊内部的空间有限，还需要容纳其他电子元器件：收发机、电池、LED灯、摄像头等。所以天线设计需要考虑上述诸多因素：人体组织的有耗色散特性、电磁兼容问题、小型化等。
植入式设备作为移动医疗的一个重要组成部分，但由于人体复杂的组织和电磁环境，因此其中一些关键性技术需要得以解决：传统天线如微带天线等，因为存在高频金属欧姆损耗比较高、低频天线物理尺寸比较大的缺点，所以目前已经无法满足胶囊天线的小尺寸(无线胶囊内窥镜系统包裹成的胶囊，医疗频段范围内减小天线的尺寸至0.8ⅹ0.5ⅹ0.5cm)、宽频带、低损耗(人体属于吸波材料，电磁场在穿透人体过程中会有很大损失)的实际迫切需求，因此胶囊天线无法采用传统的天线材质。
发明内容
本申请提供了一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，包括：天线辐射单元、金属底板和同轴馈电探针；天线辐射单元呈半球形形状，在天线辐射单元外侧开孔，同轴馈电探针通过天线辐射单元上的开孔进入天线内部，在金属底板上除在同轴馈电探针与金属底板的接触位置及其边缘位置不镀银外的其他位置镀银。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，所述介质谐振器天线的半径r＝5.35mm，天线球心距离同轴馈电探针中心位置的长度为d＝3.6mm，通过调整同轴馈电探针的长度实现对阻抗水平的调节，具体选择同轴馈电探针的长度l＝2.2mm。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，所述介质谐振器天线工作在5.8GHz频率下，中间内置电池，同轴馈电探针激励起介质谐振器的
Figure BDA0002571595760000021
模，像电偶极子一样辐射，镀银金属底板呈圆形，像磁偶极子一样辐射。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，电偶极子的E面为倒8字形，H面为圆形，即电磁波在x-y面上朝四周均匀传播，磁偶极子的E面为圆形，H面为倒8字形，即电磁波在x-z面上朝四周均匀传播；由此磁偶极子和电偶极子相互垂直，正交形成准各向同性天线。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，所述介质谐振器天线通过选择不同介电常数的材料实现对天线尺寸和带宽的控制。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，所述介质谐振器天线使用介电常数为19.984，损耗角正切tanδ<0.0001的钛镁K20电介质陶瓷制成。
如上所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其中，所述谐振器形状和馈电方式根据胶囊形状和尺寸要求进行设定。
本申请还提供一种胶囊内窥镜，包括胶囊壳体，在胶囊壳体内包括设置有电气元件和嵌套在胶囊壳体两端且与胶囊壳体形成共形结构的上述任一项所述的介质谐振器天线。
如上所述的胶囊内窥镜，其中，所述介质谐振器天线呈半球形形状，且整个天线共形嵌套在胶囊内窥镜两端外壳内。
如上所述的胶囊内窥镜，其中，所述胶囊壳体的厚度为0.01mm。
本申请实现的有益效果如下：本申请将新型介质谐振器天线应用于胶囊内窥镜中能够提高胶囊天线效率，使用探针馈电方式和半球形介质谐振器实现天线小型化，增大胶囊内部的净空，提高放置其它设备空间的同时降低部件之间的电磁干扰，实现数据的有效传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种胶囊内窥镜内部构造示意图；
图2是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的具有共形结构介质谐振器天线的示意图；
图3是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线在不同探头长度下S11曲图；
图4是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线胶囊厚度a为0.01mm下不同间隔g下的S示意图；
图5一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的模拟胃与猪肉测试的S参数的比较图；
图6(a)是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的工作在5.8GHz的模拟电流在地平面上的分布图；
图6(b)是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的在5.8GHz的作用下DRA内部的电场方向图；
图7是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的自由空间在x-z平面、y-z平面和x-y平面上的辐射模式；
图8是本申请实施例提供的一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线放置于猪肉中测试的方向图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示的一种胶囊内窥镜，包括胶囊壳体1，所述胶囊壳体1的厚度为0.01mm，在胶囊壳体1内包括设置有电气元件2和嵌套在胶囊壳体1两端且与胶囊壳体1形成共形结构的介质谐振器天线3，以此充分利用胶囊2的内空间。
图2为用于胶囊内窥镜的具有共形结构介质谐振器天线的示意图，如图2所示，所述介质谐振器天线呈半球形形状，且整个天线共形嵌套在胶囊内窥镜两端外壳内，所述介质谐振器天线半径r为5.35mm，通过选择不同介电常数的材料，使得天线尺寸和带宽可灵活控制，通过除地面以外的整个谐振器表面辐射，且没有导体和表面波损耗，因而具有较宽的阻抗带宽(取εr＝10，可获取约10％的阻抗带宽)和较高的辐射效率(大于等90％)；
优选地，本申请提供的介质谐振器天线是使用介电常数为19.984，损耗角正切tanδ<0.0001的钛镁K20电介质陶瓷制成的，谐振器形状和馈电方式灵活多样，可以满足胶囊天线对于形状和尺寸的要求。
如图2所示，所述介质谐振器天线3包括天线辐射单元31、金属底板32和同轴馈电探针33；天线辐射单元31在外侧与胶囊两端形成半球曲面结构，在天线辐射单元31外侧开孔，同轴馈电探针33通过天线辐射单元31上的开孔进入天线内部，在金属底板32上除在同轴馈电探针33与金属底板32的接触位置及其边缘位置不镀银外的其他位置镀银；其中，同轴馈电探针33与金属底板32的接触位置及其边缘位置不镀银是为了防止短路；
优选地，所述介质谐振器天线的半径r＝5.35mm，天线球心距离同轴馈电探针中心位置的长度为d＝3.6mm，同轴馈电探针的长度可以根据需要进行设定，优选采用长度l＝2.2mm的探针；
其中，天线尺寸结构以及胶囊内部金属对天线的反射系数具有重要的影响；图3分析了同轴馈电探针长度l分别为1.8mm、2.0mm、2.2mm时的模拟反射系数，从图上可见，通过调整同轴馈电探针的长度可以实现对阻抗水平的调节，且不会显著改变谐振频率，从而验证谐振是由天线辐射单元而非同轴馈电探针的偶极模式引起的。另外图4分析了胶囊厚度a＝0.01mm，以及电气元件边缘与金属底板距离g分别为0.1mm、0.4mm、1mm下的模拟反射系数，从图4可以看出随着距离的缩短，谐振频率参数几乎不变，可见即使在很小的空间中介质谐振器天线和金属点部件也具有良好的电磁兼容性。图5展示了本申请的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的模拟人体器官与猪肉测试的S参数的比较。
本申请实施例中，所述介质谐振器天线工作在5.8GHz频率下，中间内置电池，优选采用长度2.2mm探针馈电的方式，其优点是收发器可以更容易地集成在接地层下，并且对天线的辐射性能的影响较小，该方式馈电激励起介质谐振器的
Figure BDA0002571595760000051
模，像电偶极子一样辐射，镀银金属底板呈圆形，像磁偶极子一样辐射；其中，电偶极子的E面为倒8字形，H面为圆形，即电磁波在x-y面上朝四周均匀传播，磁偶极子的E面为圆形，H面为倒8字形，即电磁波在x-z面上朝四周均匀传播；由此磁偶极子和电偶极子相互垂直，可实现准各向同性天线，使得信号传输无死角；
介质谐振器天线中金属地板的模拟电流分布如图6(a)所示，因而激发的电场如图6(b)所示。介质谐振器TE111模式的共振在通带中激发，图6(b)中的y轴像磁偶极子一样辐射，图6(a)中的地面沿x轴辐射为电偶极子，两者正交以形成准各向同性天线。
为了说明本申请介质谐振器天线的准各向同性，图7为用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线的自由空间在x-z平面、y-z平面和x-y平面上的辐射模式图，从图7可知，在x-z平面，y-z平面和x-y平面中的辐射方向图是准全向的，增益偏差小于6.3db。图8为用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线放置于猪肉中测试的辐射方向图，从图8可知，在猪肉内的增益偏差达到9dBi，与在自由空间中的仿真结果误差不大。
经实验得出将本申请提供的共形于胶囊两端的小型化半球形介质谐振器天线组成的胶囊内窥镜置于模拟器官内部后，辐射效率可达8.15％，能有效穿透人体将采集到的人体数据传输到接收端。
采用本申请提供的胶囊内窥镜及其用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线达到如下效果：
(1)将新型介质谐振器天线应用于胶囊内窥镜天线是一种前所未有的尝试；
(2)介质谐振器天线通过调节介质的介电常数可以减小天线的尺寸和带宽，通过谐振器表面辐射，没有导体和表面波损耗，可以满足天线小尺寸、宽带宽的要求；
(3)采用正交电磁偶极子的方式可以实现天线的准各向同性性，天线的辐射能力将覆盖整个辐射球面，有效传输；
(4)采用良好的阻抗匹配技术可以进一步提高胶囊天线效率，采用探针馈电方式和半球形介质谐振器可以使天线小型化，从而增大了胶囊内部的净空，进而提高放置其它设备空间的同时降低部件之间的电磁干扰；
(5)能够使得患者在诊断、治疗和给药的过程中更加准确及时和方便安全。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线呈半球形形状，且整个天线共形嵌套在胶囊内窥镜两端外壳内，所述介质谐振器天线半径r为5.35mm；所述介质谐振器天线包括：天线辐射单元、金属底板和同轴馈电探针；天线辐射单元呈半球形形状，在天线辐射单元外侧开孔，同轴馈电探针通过天线辐射单元上的开孔进入天线内部，在金属底板上除在同轴馈电探针与金属底板的接触位置及其边缘位置不镀银外的其他位置镀银；
所述介质谐振器天线工作在5.8GHz频率下，中间内置电池，同轴馈电探针激励起介质谐振器的TE111sinφ模，像电偶极子一样辐射，镀银金属底板呈圆形，像磁偶极子一样辐射；
电偶极子的E面为倒8字形，H面为圆形，即电磁波在x-y面上朝四周均匀传播，磁偶极子的E面为圆形，H面为倒8字形，即电磁波在x-z面上朝四周均匀传播；由此磁偶极子和电偶极子相互垂直，正交形成准各向同性天线。
2.如权利要求1所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线的半径r=5.35mm，天线球心距离同轴馈电探针中心位置的长度为d=3.6mm，通过调整同轴馈电探针的长度实现对阻抗水平的调节，具体选择同轴馈电探针的长度l=2.2mm。
3.如权利要求1所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线通过选择不同介电常数的材料实现对天线尺寸和带宽的控制。
4.如权利要求3所述的用于胶囊内窥镜的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线使用介电常数为19.984，损耗角正切tanδ<0.0001的钛镁K20电介质陶瓷制成。
5.一种胶囊内窥镜，其特征在于，包括胶囊壳体，在胶囊壳体内包括设置有电气元件和嵌套在胶囊壳体两端且与胶囊壳体形成共形结构的如权利要求1-4任一项所述的介质谐振器天线。
6.如权利要求5所述的胶囊内窥镜，其特征在于，所述介质谐振器天线呈半球形形状，且整个天线共形嵌套在胶囊内窥镜两端外壳内。
7.如权利要求5所述的胶囊内窥镜，其特征在于，所述胶囊壳体的厚度为0.01mm。
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