CN113571884A - 一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，该螺旋天线包括一号螺旋臂、二号螺旋臂、一号微带线、二号微带线、介质基板和接地面；介质基板为具有一定高度的圆环状，介质基板的内侧面被接地面完全覆盖；一号微带线、二号微带线的尺寸相同，两者对称的设置在介质基板的外侧面上；一号螺旋臂、二号螺旋臂的结构相同，均为由矩形贴片绕制成的螺旋半球状，两者下部的末端分别衔接在一号微带线、二号微带线的一侧，一号螺旋臂绕介质基板的中心水平旋转180度后与二号螺旋臂重合；该螺旋天线附着在无线胶囊一端壳体的内部，不占用无线胶囊的内部空间且不与内部电路直接接触，从而不易受到内部电路的影响。

Description

一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线
技术领域
本发明属于远程生物医疗领域，尤其涉及一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线。
背景技术
近年来，由于无线技术可以摆脱有线设备的限制而被广泛应用于植入式医疗设备，其中植入式无线胶囊可以用做胶囊内窥镜、心脏起搏器来帮助辅助治疗各种疾病。因为无线植入式胶囊是工作在人体内部，所以必须实现小型化来减少对人体产生的不适感，而天线作为传输系统的关键部件，如何能在保持高效性能的同时不占用无线植入式胶囊内部的空间变得尤为重要，所以本发明设计了一种共形于无线胶囊系统顶部的高性能螺旋天线。
就植入式天线而言，除了要实现小型化而不占用系统的内部空间外，还需要具有高效的性能才能在复杂的人体结构中实现通信。当前工业、科学和医学(ISM)频段内的2.420-2.480GHz和5.725-5.850GHz频段可以作为植入式天线的工作频段，为了实现高效率的数据传输，植入式天线还需要具有宽频带特性。并且由于其内部空间有限，其电池的容量不可能太大，具有双频或多频特点的天线可以使系统具有双模工作特性，来延长电池寿命。所以在设计天线的过程中就需要在减小天线所占用系统内部空间的同时实现双频宽带的性能。
目前应用于植入式胶囊系统的共形天线大多数为在胶囊壁共形的天线，这就需要考虑其系统内部电路部分可能对天线性能造成的影响。例如专利号为201610322476.6，专利名称为《一种用于生物医学遥测的植入式胶囊天线》的专利，采用了柔性的介质基板的材料实现了天线共形的特性，由于天线在胶囊直立外壁外侧共形，其胶囊内部电路很容易对天线造成的电磁干扰的影响，所以采用了三层介质基板材料来隔绝这种影响，这种设计不免会提高了胶囊系统的加工难度和加工成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点与不足，设计一种共形于无线胶囊顶部具有半球结构的螺旋天线，在减小天线占用胶囊内部空间的同时避免直接与其内部电路接触从而减小内部电路对天线的影响，实现高效的辐射特能，使天线的工作频段可以覆盖2.420-2.480GHz和5.725-5.850GHz频段，并且其带宽可以分别达到41.05％(1.82GHz-2.76GHz)和12.24％(5.36GHz-6.06GHz)，实现了宽带双频特性。
本发明的技术方案：设计一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，该螺旋天线包括一号螺旋臂、二号螺旋臂、一号微带线、二号微带线、介质基板和接地面；介质基板为具有一定高度的圆环状，介质基板的内侧面被接地面完全覆盖；一号微带线、二号微带线的尺寸相同，两者对称的设置在介质基板的外侧面上；一号螺旋臂、二号螺旋臂的结构相同，均为由矩形贴片绕制成的螺旋半球状，两者下部的末端分别衔接在一号微带线、二号微带线的一侧，一号螺旋臂绕介质基板的中心水平旋转180度后与二号螺旋臂重合；一号微带线的高度为介质基板的高度与一号螺旋臂的宽度之和，且一号微带线的底面与介质基板的底面平齐；
一号螺旋臂为矩形贴片按照一定的轨迹绕制成的螺旋半球状，所述轨迹的函数为：
Figure BDA0003175428930000031
Figure BDA0003175428930000032
Figure BDA0003175428930000033
上述函数中，t为变量，t的取值范围为0～n×2π，n为螺旋绕制的圈数，r为螺旋半球的半径，S为螺距。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1、本发明采用了半球形螺旋结构，共形于无线胶囊的顶部球形，在不占用胶囊内部空间的同时，避免了与内部电路直接接触，可以减少内部电路对天线的电磁干扰。
2、本发明天线具有双频特性，其工作频段可以覆盖ISM频段内的2.420-2.480GHz和5.725-5.850GHz频段。
3、本发明天线具有宽频特性，其带宽可以分别达到41.05％(1.82GHz-2.76GHz)和12.24％(5.36GHz-6.06GHz)。
附图说明
图1是本发明应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线一种实施例的立体图。
图2是本发明应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线一种实施例的主视图。
图3是本发明应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线一种实施例的安装示意图。
图4是本发明实施例1所得的螺旋天线的反射系数图。
图5是本发明实施例1所得的螺旋天线的在频率2.4GHz频段的方向图。
图6是本发明实施例1所得的螺旋天线的在频率5.8GHz频段的方向图。
具体实施方式
本发明提供一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线(简称螺旋天线)，该螺旋天线包括一号螺旋臂、二号螺旋臂、一号微带线、二号微带线、介质基板和接地面；介质基板为具有一定高度的圆环状，介质基板的内侧面被接地面完全覆盖；一号微带线、二号微带线的尺寸相同，两者对称的设置在介质基板的外侧面上；一号螺旋臂、二号螺旋臂的结构相同，均为由矩形贴片绕制成的螺旋半球状，两者下部的末端分别衔接在一号微带线、二号微带线的一侧，一号螺旋臂绕介质基板的中心水平旋转180度后与二号螺旋臂重合。一号微带线的高度为介质基板的高度与一号螺旋臂的宽度之和，且一号微带线的底面与介质基板的底面平齐。
一号螺旋臂为矩形贴片(宽度较小可近似看成线型贴片)按照一定的轨迹绕制成的螺旋半球状，所述轨迹的函数为：
Figure BDA0003175428930000041
Figure BDA0003175428930000042
Figure BDA0003175428930000051
上述函数中，t为变量，t的取值范围为0～n×2π，n为螺旋绕制的圈数，r为螺旋半球的半径，S为螺距。
所述螺旋天线附着于无线胶囊一端的内部，其中一号螺旋臂、二号螺旋臂附着于该端末端的半球形壳体的内侧。
本发明螺旋天线通过对两个微带线的底部同时加载激励来对两个螺旋臂进行馈电，使得天线同时得到两个相位差为180度的激励，从而实现天线的辐射。
实施例1
本实施例提供一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线(简称螺旋天线，参见图1-3，附图标记为7)，该螺旋天线包括一号螺旋臂(1)、二号螺旋臂(2)、一号微带线(3)、二号微带线(4)、介质基板(5)和接地面(6)；介质基板(5)为具有一定高度的圆环状，介质基板(5)的内侧面被接地面(6)完全覆盖；一号微带线(3)、二号微带线(4)的尺寸相同，两者对称的设置在介质基板(5)的外侧面上；一号螺旋臂(1)、二号螺旋臂(2)的结构相同，均为由矩形贴片绕制成的螺旋半球状，两者下部的末端分别衔接在一号微带线(3)、二号微带线(4)的一侧，一号螺旋臂(1)绕介质基板(5)的中心水平旋转180度后与二号螺旋臂(2)重合；矩形贴片的材质为铜。一号微带线(3)的高度为介质基板(5)的高度与一号螺旋臂(1)的宽度之和，且一号微带线(3)的底面与介质基板(5)的底面平齐。
一号螺旋臂(1)为矩形贴片按照一定的轨迹绕制成的螺旋半球状，所述矩形贴片的宽度为0.5mm、厚度为0.035mm，所述轨迹的函数为：
Figure BDA0003175428930000061
Figure BDA0003175428930000062
Figure BDA0003175428930000063
上述函数中，t为变量，t的取值范围为0～n×2π，n为螺旋绕制的圈数，r为螺旋半球的半径，S为螺距。
本实施例中，所述螺旋半球半径r为3mm，螺旋绕制圈数n为1.35圈，螺距S为0.45mm，螺旋臂臂宽为0.5mm，臂厚为0.035mm；
所述螺旋天线(7)附着于无线胶囊(8)一端的内部，其中一号螺旋臂(1)、二号螺旋臂(2)附着于该端末端的半球形壳体的内侧。
介质基板(5)为由聚酰亚胺材料制作而成的圆环状，聚酰亚胺的介电常数为3.5，损耗正切为0.008。介质基板(5)为一个内半径为2.85mm、厚度为0.15mm、高度为1.8mm的圆环状。
一号微带线(3)、二号微带线(4)均为高为2.3mm、宽为1mm的矩形铜片，其底部与介质基板(5)底部平齐。
所述的接地面(6)是一个附着在介质基板(5)的内侧高度为1.8mm、外半径为2.85mm的圆环状的铜片，完全覆盖介质基板(5)的内侧。
本实施例的螺旋天线(7)设在一个长度为26mm、内半径为3mm、厚度为0.15mm的无线胶囊(8)外壳一端的内部，其中介质基板(5)附着在无线胶囊(8)一端的内壁上，一号螺旋臂(1)、二号螺旋臂(2)附着于该端末端的半球形壳体的内侧。附着方式可为粘胶粘合，但不限于此方式。无线胶囊(8)可由聚酰亚胺材料制成。
图4为本实施例所得的螺旋天线的反射系数，该螺旋天线的工作频段可以覆盖2.420-2.480GHz和5.725-5.850GHz频段，并且其带宽可以分别达到41.05％(1.82GHz-2.76GHz)和12.24％(5.36GHz-6.06GHz)。
图5为本实施例所得的螺旋天线在2.4GHz频段的辐射方向图，增益可达到-32.5dBi。
图6为本实施例所得的螺旋天线在5.8GHz频段的辐射方向图，增益可达到-28.1dBi。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变螺旋臂、微带馈线和接地面的大小和尺寸，都应包含在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，该螺旋天线包括一号螺旋臂、二号螺旋臂、一号微带线、二号微带线、介质基板和接地面；介质基板为具有一定高度的圆环状，介质基板的内侧面被接地面完全覆盖；一号微带线、二号微带线的尺寸相同，两者对称的设置在介质基板的外侧面上；一号螺旋臂、二号螺旋臂的结构相同，均为由矩形贴片绕制成的螺旋半球状，两者下部的末端分别衔接在一号微带线、二号微带线的一侧，一号螺旋臂绕介质基板的中心水平旋转180度后与二号螺旋臂重合；一号微带线的高度为介质基板的高度与一号螺旋臂的宽度之和，且一号微带线的底面与介质基板的底面平齐；
一号螺旋臂为矩形贴片按照一定的轨迹绕制成的螺旋半球状，所述轨迹的函数为：
Figure FDA0003175428920000011
Figure FDA0003175428920000012
Figure FDA0003175428920000013
上述函数中，t为变量，t的取值范围为0～n×2π，n为螺旋绕制的圈数，r为螺旋半球的半径，S为螺距。
2.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，用于绕制一号螺旋臂的矩形贴片的宽度为0.5mm、厚度为0.035mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，一号螺旋臂的螺旋半球半径r为3mm，螺旋绕制圈数n为1.35圈，螺距S为0.45mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，介质基板为一个内半径为2.85mm、厚度为0.15mm、高度为1.8mm的圆环状。
5.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，所述介质基板由聚酰亚胺材料制作而成，聚酰亚胺的介电常数为3.5，损耗正切为0.008。
6.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，一号微带线、二号微带线均为高为2.3mm、宽为1mm的矩形铜片。
7.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，接地面是一个高度为1.8mm、外半径为2.85mm的圆环状的铜片。
8.根据权利要求1所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，用于绕制一号螺旋臂、一号螺旋臂的矩形贴片的材质为铜。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，该螺旋天线设在一个长度为26mm、内半径为3mm、厚度为0.15mm的无线胶囊外壳一端的内部，其中介质基板附着在无线胶囊一端的内壁上，一号螺旋臂、二号螺旋臂附着于该端末端的半球形壳体的内侧。
10.根据权利要求9所述的一种应用于植入式无线胶囊系统的螺旋天线，其特征在于，所述无线胶囊由聚酰亚胺材料制成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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