CN112964936A - 一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器 - Google Patents

Abstract

一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，包括包裹在上层基板和下层基板之间的辐射谐振单元、接地贴片、信号线和射频接头，辐射谐振单元包括闭环、第一S形辐射线和第二S形辐射线。属于无线传感器领域，可以实时地测量并输出周围环境的介电特性变化，适用于气体监测、液体监测和人体组织监测等。本发明利用闭环和S形辐射线减小天线传感器尺寸，同时实现谐振频率对周围环境介电特性的灵敏变化，开发了兼具信号检测和传输功能的天线传感器，将周围环境介电特性的变化转化为谐振频率的偏移。本发明可以对周围环境介电常数实现无接触实时监测，具有灵敏度高、传输效率好、安全等优点，具备较好的推广前景。

Description

一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及但不限于一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器。

背景技术

传统的传感器只具备采集信号的功能，信号的传输需要连接其他有线或无线电路才能实现，这不仅限制了可集成的传感器数量，也增加了系统的复杂性和重量。再者，传感器接口通常是最脆弱的组件，在测量中易引入机械漂移、噪声和振动，损害传感器的可靠性。因此，设计可同时实现信号采集和传输的一体化传感器是很有必要的。

天线传感器的独特优势在于该传感器还可用作无线发射器，可以收集和发送信号，从而省去了用于传输的外部电线。天线传感器的设计挑战包括小型化、高灵敏度和高效通信等。为了实现高灵敏度，有源和无源谐振器通常用作感测部件。文献“AWirelessPassive Pressure and Temperature Sensor via a Dual LC Resonant Circuit inHarsh Environments”提出了一种基于双LC谐振电路的传感器，可同时测量压力和温度。然而，基于谐振器的传感器通常检测距离有限，给无线通信带来了不便。

发明内容

本发明目的在于解决现有的天线传感器灵敏度低、传输距离近、体积大等缺点，提出了一种物理尺寸小、性能优异且具备传感功能的微型天线传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，包括上层基板和下层基板，以及设置在上层基板和下层基板之间的辐射谐振单元、接地贴片、信号线和射频接头。所述辐射谐振单元和接地贴片位于介质基板的同一侧，属于共面波导馈电。所述辐射谐振单元包括闭环，与闭环连接的第一S形辐射线，第一S形辐射线末端和第二S形辐射线连接。

所述闭环位于第一S形辐射线端口和信号线之间，闭环的一条边与第一S形辐射线的端口重叠。信号线的延长线变窄后作为闭环的一条边。

第一S形辐射线远离闭环的端口进行二次弯折，形成第二S形辐射线，用于改善所述天线传感器的阻抗匹配特性，同时减小天线传感器的体积。

所述第一S形辐射线的弯折宽度为0.52mm时，闭环和第一S形辐射线之间构成良好谐振，用于感知天线传感器周围环境的介电常数特性变化，提高传感器的灵敏度。

闭环通过信号线和射频接头相连，射频接头裸露在上层基板和下层基板外，实现激励的输入。

第一S形辐射线包括3个首尾相连的S形折线，其中每个S形折线的弯折深度、弯折宽度和线宽相同。

第一S形辐射线远离闭环的端口进行二次弯折，形成第二S形辐射线。第二S形辐射线包括5个首尾相连的S形折线，其中每个S形折线的弯折深度、弯折宽度和线宽相同。

微型天线传感器由上下两层基板包裹。使用上下两层介质基板，一方面能够在一定程度上杜绝金属贴片与周围环境的直接接触，另一方面还有助于改善辐射谐振单元对其上方的辐射效果。

本发明的优点在于：

1、本发明用于周围环境介电常数监测的微型天线传感器，使用第一S形辐射线和第二S形辐射线结构共同改善天线传感器的阻抗匹配问题，实现高辐射效率的同时，缩小了天线传感器的体积。

2、本发明用于周围环境介电常数监测的微型天线传感器，利用闭环结构和第一S形辐射线之间的谐振，显著提高天线传感器的灵敏度。

3、本发明提供了一种新的传感器设计方法，即天线传感器，不仅可以采集信号，还可以把信号无线传输出去，避免了传输线的使用，实现了对周围环境介电常数的无线监测，具有灵敏度高、辐射强、稳定性好和简单紧凑等优点。

附图说明

图1为本发明天线传感器所测试的环境模型示意图。

图2为本发明天线传感器的侧视图。

图3为本发明天线传感器的俯视图。

图4为本发明天线传感器在不同环境模型深度下的回波损耗S11。

图5为本发明天线传感器在不同环境介电常数下的回波损耗S11。

图6为本发明天线传感器的灵敏度曲线。

图7为本发明天线传感器的增益方向图。

其中，0天线传感器，0-1皮肤，0-2脂肪，0-3肌肉；1辐射谐振单元，1-1闭环，1-2第一S形辐射线，1-3第二S形辐射线，2接地贴片，3信号线，4射频接头，5上层基板，6下层基板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并介绍本发明的一个优选实施例，对人体组织介电常数的监测：

由于所提出的天线是工作于人体内的，而人体内的电磁环境十分复杂，因此为了保证天线仿真结果的可靠性和准确性，需要将所设计的天线放置在人体模型内进行仿真和优化。图1显示了本发明天线传感器0所处的人体组织结构示意图，其由上到下依次分为皮肤0-1、脂肪0-2、肌肉0-3三层结构。天线传感器0放置于肌肉层0-3内。

图2所示为本发明天线传感器的侧视图，图3显示了本发明天线传感器的俯视图及各部分参数。天线传感器包括包裹于上层基板5和下层基板6之间的辐射谐振单元1、接地贴片2、信号线3和射频接头4。所设计的天线使用共面波导馈电，因此辐射谐振单元1和接地贴片2位于下层基板6的同一侧。上层基板和下层基板使用双层罗杰斯rogers RT6010陶瓷材料，其介电常数为10.2，每一层长l1＝5mm，宽W1＝5mm、厚度为0.254mm。辐射谐振单元采用覆铜层实现，其厚度为0.02mm，因此所提出天线的整体几何尺寸参数为5mm×5mm×0.528mm。

辐射谐振单元1包括闭环1-1，与闭环连接的第一S形辐射线1-2，第一S形辐射线末端和第二S形辐射线1-3连接。闭环1-1位于第一S形辐射线1-2端口和信号线3之间，闭环的一条边与第一S形辐射线的端口重叠。信号线宽s＝0.3mm，信号线的延长线收窄为l6＝0.1mm，作为闭环上侧短边，信号线3的长度W9＝1.23mm。闭环1-1的下侧短边的长度W8＝0.54mm。闭环1-1其他三条边的线宽均为W7＝0.15mm。接地贴片2的宽度dx＝0.2mm。接地贴片2和信号线之间的距离g＝0.15mm。

第一S形辐射线包括3个首尾相连的S形折线，其中每个S形折线的弯折深度l5＝4.3mm，弯折宽度W6＝0.52mm，线宽W5＝0.12mm。

第一S形辐射线远离闭环的端口进行二次弯折，形成第二S形辐射线。第二S形辐射线包括5个首尾相连的S形折线，第一个S形折线的上边长W2＝1mm,弯折宽度l2＝0.6mm，其余4个S形折线的弯折深度W4＝0.6mm、弯折宽度l3＝0.5mm，线宽W3＝0.1mm。第一S形辐射线与第二S形辐射线整体呈正交分布。

本发明天线传感器使用上下两层介质基板，一方面能够在一定程度上杜绝金属贴片与周围环境的直接接触，另一方面还有助于改善辐射谐振单元对其上方的辐射效果。此外，为了防止人体产生排异反应，所提出的天线在最终植入人体内时还须要由氧化铝的矩形盒包裹。

所实施的天线传感器在使用射频接头4给共面波导馈电端传输激励，同轴线的内导体与共面波导馈电结构的信号线3相连，外导体与信号线上下两侧的接地贴片2相连。信号线将激励传输给辐射谐振单元1，经过良好匹配后，辐射谐振单元表面的电流矢量将会顺着辐射谐振单元的走向指向一个方向。

图4显示了本发明天线传感器在不同放置深度下的回波损耗S11。为了找到最佳的放置深度，研究了放置深度(dp)对所实施的天线传感器的阻抗匹配的影响。图4展示了dp＝20mm，30mm和40mm时的反射系数(S11)。可以看出，天线在2.45GHz附近谐振，而S11在dp＝30mm时达到最小值，即-35dB。

图5显示了本发明天线传感器在不同介电常数下的回波损耗S11。由图中可以看出，当介电常数变化时，所实施天线传感器的回波损耗S11会有一个较为明显的偏移。介电常数越低，所实施天线传感器谐振频率越高，介电常数越高，所实施天线传感器谐振频率越低。利用此性质，可以使所实施天线传感器监测其周围环境的介电常数变化。

如乳腺癌，乳房组织在正常情况下其介电常数接近于脂肪的介电常数，在2.45GHz的频率下通常在5左右。而当乳房组织产生癌变后，癌变的部位及附近组织的介电常数会变得更接近于肌肉的介电常数，达到52。乳房组织癌变前后，其介电常数会产生显著变化，因此通过所实施的天线传感器，在一定程度上能够通过其谐振频率的改变而探测出乳腺癌的产生。由于所实施天线传感器的可用带宽为70MHz，涵盖了整个ISM在2.45GHz处的频率范围，而当肌肉介电常数每变化10时，所实施天线传感器的谐振频率相应变化10MHz，因此在放置部位的介电常数发生较为显著的变化时，所实施天线传感器一方面能够通过中心频率的偏移而探测到介电常数的变化，另一方面使得其中心频率和-10dB带宽范围变化后依然能够保证在ISM的2.45GHz频段上能够正常工作，发射出能够被接收到的电磁波信号。

图6显示了本发明天线传感器的灵敏度曲线。介电常数和谐振频率之间的线性关系可以通过使用线性回归方程表示：f＝2.51639-0.00128ε_t，其中，ε_t是人体组织的介电常数，f为天线传感器的谐振频率。因此，当人体组织发生病变时，ε_t改变，进而影响天线传感器的谐振频率。

图7显示了本发明天线传感器的增益方向图。所实施天线传感器在工作频点处有着良好的辐射方向图和辐射增益。辐射增益最高值为-17.9dB，方向沿着法线方向垂直向上。所实施天线传感器辐射方向图的主瓣垂直于天线传感器的表面向上，副瓣及后瓣均较小，具有良好的辐射方向性。

以上所述的实施例只是本发明的一个较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的思路和范围的情况下，可以做出各种变化和变型。例如，上述实例的闭环尺寸、辐射线的线宽、天线传感器的应用场景等，均可以按照本发明所述原理进行更新与改进。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于包括上层基板(5)和下层基板(6)，以及设置在上层基板和下层基板之间的辐射谐振单元(1)、接地贴片(2)、信号线(3)和射频接头(4)，所述辐射谐振单元(1)包括闭环(1-1)，与闭环(1-1)连接的第一S形辐射线(1-2)，以及与第一S形辐射线的末端连接的第二S形辐射线(1-3)。

2.根据权利要求1所述的对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于，所述闭环(1-1)位于第一S形辐射线(1-2)端口和信号线(3)之间，闭环(1-1)的一条边与第一S形辐射线(1-2)的端口重叠。

3.根据权利要求1所述的对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于，第一S形辐射线(1-2)远离闭环(1-1)的端口进行二次弯折，形成第二S形辐射线(1-3)，用于改善所述天线传感器的阻抗匹配特性。

4.根据权利要求1所述的对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于，所述第一S形辐射线(1-2)的弯折宽度为0.52mm时，闭环(1-1)和第一S形辐射线(1-2)之间构成良好谐振，用于感知天线传感器周围环境的介电常数特性变化。

5.根据权利要求1所述的对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于，所述闭环(1-1)通过信号线(3)和射频接头(4)相连，射频接头(4)裸露在上层基板(5)和下层基板(6)外。

6.根据权利要求2所述的对周围环境介电常数敏感的微型天线传感器，其特征在于，所述信号线(3)的延长线变窄后作为闭环(1-1)的一条边。

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