CN113054445A - 一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线 - Google Patents

一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线 Download PDF

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冯全源
李永伟
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Abstract

本发明公开了一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其包括胶囊内窥镜结构和设置在胶囊内窥镜结构内部的铁氧体环形介质基天线结构；铁氧体环形介质基天线结构包括环形天线基板、环形铁氧体介质、四单元偶极子阵列天线、以及包封薄膜。本发明考虑了聚酰亚胺材料的生物相容性等医学特性，设计其用作为胶囊外壳可与人体组织直接接触；并且考虑了聚酰亚胺材料良好的机械性能与天线生产制作的难易程度，设计其作为贴片阵列天线的基板与包封膜，从而实现在保障无源天线阵共形后的辐射效率、定向性及天线增益的指标情况下，还具有包含应用于无线内窥镜系统使用的ISM 2.4GHz频段的谐振频段的特点。

Description

一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线
技术领域
本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线。
背景技术
内窥镜是集中了光学、人体工学、精密机械、现代电子等技术于一体的检测仪器。内窥镜可以经口腔进入胃内或经其他天然孔道进入体内。利用内窥镜可以看到X射线不能显示的病变，因此内窥镜在医疗上有非常重要的作用。无线胶囊内窥镜由于其在胃肠道检查中的优势，近些年来引起了非常广泛的关注。无线胶囊内窥镜是一种可靠、无痛、舒适的检查仪器，特别是小肠区域，这是传统内镜技术不易达到的。
无线胶囊内窥镜系统包括植入式天线和收发器、带发光二极管(LED)的摄像头、专用集成电路、透镜和供电电池等结构。为无线医疗应用设计植入式天线已经被众多研究小组研究过，其中设计用于无线胶囊内窥镜系统的天线非常具有挑战性，因为当天线进入生物体或人体后，由于组织器官的影响天线的辐射特性会发生很大的变化。
阵列天线是一种由多个相同的单个天线按一定规律排列组成的天线系统。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和(矢量和)。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。然而，在获得了功能上的优势后，相比于单个天线多个天线组成的阵列天线必然就损失了空间上的优势。
磁性和介电性是众多电子元器件工作所利用的两个主要的物理性能，在如今微波器件对于小型化的研究主要集中在器件结构的创新和先进的制造、封装技术。对于高频器件的介质的研究非常少，而对于铁氧体这样既有介电性和磁性的材料则研究的更少。如今在其他方面研究已经达到瓶颈，通过介质实现小型化的研究显得空前重要起来。通过铁氧体自身的高介电高磁导率的特性，对天线小型化是一种非常重要的手段，然而，铁氧体天线的加工制作比市场上使用常规材料制作天线要困难很多，这无疑增加了成本。
随着5G通信的发展，无线设备越来越多样化同时应用的环境越来越复杂，从而导致通信设备的天线需要适应形状各异的空间和各种各样复杂的环境。因此，为了和设备结构外形保持一致且不给设备增加负担同时还能工作在复杂的环境下，天线的共形设计变得越来越重要。同样的，由于复杂的结构，天线共形的设计难度也成比例增长。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，在实现保障无源天线阵共形后的辐射效率、定向性及天线增益的指标情况下，还具有包含应用于无线内窥镜系统使用的ISM 2.4GHz频段的谐振频段的特点。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，包括胶囊内窥镜结构和设置在胶囊内窥镜结构内部的铁氧体环形介质基天线结构；
铁氧体环形介质基天线结构包括环形天线基板、设置在环形天线基板内表面的环形铁氧体介质、设置在环形天线基板外表面的四单元偶极子阵列天线、以及覆盖在四单元偶极子阵列天线上的包封薄膜。
本方案的有益效果是：本发明考虑了聚酰亚胺材料的生物相容性等医学特性，设计其用作为胶囊外壳可与人体组织直接接触；并且考虑了聚酰亚胺材料良好的机械性能与天线生产制作的难易程度，设计其作为贴片阵列天线的基板与包封膜。本发明实现在保障无源天线阵共形后的辐射效率、定向性及天线增益的指标情况下，还具有包含应用于无线内窥镜系统使用的ISM 2.4GHz频段的谐振频段的特点。
进一步地，所述胶囊内窥镜结构包括圆柱形侧壁和侧壁两端的拱形顶。
进一步地，所述胶囊内窥镜结构的侧壁直径为10mm，长度为23mm。
进一步地，所述环形天线基板采用聚酰亚胺基板，基板厚度为0.05mm。
该进一步方案的有益效果是：本发明将天线电路印制在聚酰亚胺柔性材料上，使得天线可以更灵活的共形在铁氧体介质上，从而降低加工难度与成本。
进一步地，所述环形铁氧体介质采用环形的未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体介质，其内直径为6mm，外径为9.9mm，高度为3mm。
该进一步方案的有益效果是：本发明采用铁氧体介质，可以有效的减小阵列天线的设计尺寸，从而在占用胶囊内部更小的空间里设计功能强大的天线，实现阵列天线在辐射特性上更多功能的利用。
进一步地，所述四单元偶极子阵列天线包括四对偶极子的阵列天线与其中心位置的天线馈电激励端口，所述阵列天线包括对称设置的一对馈线及分别对称设置在所述馈线两侧的四对振子。
进一步地，所述四单元偶极子阵列天线的单元间距为2.6mm，半个振子臂长为1.3mm，振子线宽为0.04mm，馈线宽度为0.1mm，馈线间距为0.2mm。
该进一步方案的有益效果是：本发明可以通过调整偶极子天线的并联个数以调节天线的输入阻抗，使天线达到更好的匹配。偶极子天线组成的阵列天线具有更好的辐射性能，并且更容易在本发明中弯曲的方向上共形。
进一步地，所述包封薄膜采用聚酰亚胺薄膜，其厚度为0.05mm。
该进一步方案的有益效果是：本发明使用聚酰亚胺薄膜包封保护天线线路，防止线路出现短路、氧化等。
附图说明
图1为本发明的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线结构示意图；
图2为本发明的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线尺寸示意图；
图3为本发明中铁氧体环形介质基天线结构示意图；
图4为本发明中铁氧体环形介质基天线结构尺寸示意图；
图5为本发明中四单元偶极子阵列天线结构示意图；
图6为本发明的S11参数曲线图；
图7为本发明的远场增益和辐射效率曲线图；
图8为本发明的E面方向图；
图9为本发明的H面方向图。
其中：101、胶囊内窥镜结构；201、铁氧体环形介质基天线结构；2011、环形铁氧体介质；2012、环形天线基板；2013、包封薄膜；2014、四单元偶极子阵列天线；2015、天线馈电激励端口；301、胶囊形内部空间。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，包括胶囊内窥镜结构101和设置在胶囊内窥镜结构101内部的铁氧体环形介质基天线结构201；
铁氧体环形介质基天线结构201包括环形天线基板2012、设置在环形天线基板2012内表面的环形铁氧体介质2011、设置在环形天线基板2012外表面的四单元偶极子阵列天线2014、以及覆盖在四单元偶极子阵列天线2014上的包封薄膜2013。
在本实施例中，如图2所示，胶囊内窥镜结构101包括圆柱形侧壁和侧壁两端的拱形顶组成的胶囊形结构。具体而言，胶囊内窥镜结构101的侧壁直径Wc＝10mm，胶囊总长度Lc＝23mm。
胶囊内窥镜结构101形成的胶囊形内部空间301设置有铁氧体环形介质基天线结构201，同时也为内窥镜系统的其它部件提供了安装空间。
在本实施例中，如图3至图5所示，铁氧体环形介质基天线结构201具体为高为Wa＝3mm、外直径Wc＝10mm、内直径Rinner＝6mm的环形圆柱体。
铁氧体环形介质基天线结构201的环形铁氧体介质2011采用环形的未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体介质，介电常数为8，磁导率为40，正切介电损耗为0.007，正切磁导率损耗为0.02，其内直径Rinner＝6mm、外直径Router＝9.9mm、高度Wa＝3mm。
铁氧体环形介质基天线结构201的环形天线基板2012紧贴在铁氧体环形介质2011外表面，其厚度Wi＝0.05mm、高度Wa＝3mm。
铁氧体环形介质基天线结构201的四单元偶极子阵列天线2014印制在聚酰亚胺基板上，其具体包括四对偶极子的阵列天线与偶极子阵列中心位置的天线馈电激励端口2015，阵列天线包括对称设置的一对馈线及分别对称设置在馈线两侧的四对振子。具体而言，四单元偶极子阵列天线2014的单元间距Ls＝2.6mm，半个振子臂长Ld＝1.3mm，振子线宽Wd＝0.04mm，馈线宽度Wf＝0.1mm，馈线间距Ws＝0.2mm。
铁氧体环形介质基天线结构201的包封薄膜2013采用聚酰亚胺薄膜，其紧贴在聚酰亚胺基板与天线电路外表面，厚度Wo＝0.05mm，高度Wa＝3mm。
如图6所示，图中横坐标为频率单位：(GHz)，纵坐标表示S11(单位：dB)。图中显示出本发明天线的工作频段(|S11|≤-10dB)为2.33GHz-2.75GHz(中心频率为2.55GHz)。从结果可以看出，本发明所工作频段包含无线内窥镜使用的频段，即ISM2.4GHz(2.4～2.48GHz)的频段。
如图7所示，可以看出本发明在工作频段内增益稳定，效率也最高。
如图8、9所示，本发明的主辐射方向在胶囊朝着天线的方向，且辐射角度相对稳定。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，包括胶囊内窥镜结构(101)和设置在所述胶囊内窥镜结构(101)内部的铁氧体环形介质基天线结构(201)；
所述铁氧体环形介质基天线结构(201)包括环形天线基板(2012)、设置在所述环形天线基板(2012)内表面的环形铁氧体介质(2011)、设置在所述环形天线基板(2012)外表面的四单元偶极子阵列天线(2014)、以及覆盖在所述四单元偶极子阵列天线(2014)上的包封薄膜(2013)。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述胶囊内窥镜结构(101)包括圆柱形侧壁和侧壁两端的拱形顶。
3.根据权利要求2所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述胶囊内窥镜结构(101)的侧壁直径为10mm，长度为23mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述环形天线基板(2012)采用聚酰亚胺基板，基板厚度为0.05mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述环形铁氧体介质(2011)采用环形的未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体介质，其内直径为6mm，外径为9.9mm，高度为3mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述四单元偶极子阵列天线(2014)包括四对偶极子的阵列天线与其中心位置的天线馈电激励端口(2015)，所述阵列天线包括对称设置的一对馈线及分别对称设置在所述馈线两侧的四对振子。
7.根据权利要求6所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述四单元偶极子阵列天线(2014)的单元间距为2.6mm，半个振子臂长为1.3mm，振子线宽为0.04mm，馈线宽度为0.1mm，馈线间距为0.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于铁氧体介质的胶囊内窥镜的共形阵列天线，其特征在于，所述包封薄膜(2013)采用聚酰亚胺薄膜，其厚度为0.05mm。
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