CN113839202A - 一种基于肌电信号传输的植入天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于肌电信号传输的植入天线，属于天线技术领域。该植入天线包括：铜箔空心圆柱体、介质基板、螺旋天线、线圈，所述介质基板包覆于铜箔空心圆柱体的外侧面，所述螺旋天线绕制于介质基板的外侧，所述螺旋天线的外侧设有线圈；所述线圈以集总端口的方式馈电，所述螺旋天线以耦合馈电的方式馈电。本发明的植入天线尺寸小，效率高、宽频带、可应用于人体通信频段。

Description

一种基于肌电信号传输的植入天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种基于肌电信号传输的植入天线。
背景技术
人体运动是由大脑产生意志、经脊髓层产生运动相应的模式和反射神经精细化控制的过程。和物理传感器采集的信号相比，生物电信号能够更及时、主动地反馈穿戴者的运动意图。人体在进行上肢运动时，是由以大脑为中枢神经系统的中央模式生成器产生运动开始意图，控制上肢骨骼和肌肉执行相应的动作。肌电信号（EMG）是众多肌纤维中运动单元动作电位（MUAP）在时间和空间上的叠加。肌电信号反映了人体神经肌肉活动的功能状态，是大脑意识最直接的反应，充分体现了人体的意图。因此，高效率地采集肌电信号能够有助于系统对人体上肢运动进行识别，识别到人体上肢运动意图，可以为上肢外骨骼机器人提供精准安全的控制策略。
在手臂辅助机器人与人之间交互所依靠的无线通信系统中，可植入式天线作为无线通信系统的关键器件，不但需要与外界的接收装置建立通信通道，而且需要在机械内部实现肌电信号传输的功能。与传统天线不同的是，可植入天线工作在内部，需要进行无线通信。并且除了天线以外还有许多其他元器件，这些元器件不但形状不一而且各自的电磁参数也不一样。这就要求天线在保证相对较小的体型的同时拥有强大的抗干扰能力。另外，由于和其他元器件在一起工作，天线对其他元器件能够造成的影响也应当降到最低，以上种种都加大了可植入式天线的研究难度。
植入天线通常工作于10-100MHz之间，对应的自由空间中电磁波波长介于30m至3m之间，可以与人体尺寸相比拟，因此人体对肌电信号的遮挡效应更弱，其传输特性受人体的走动和姿势变化的影响也更小，故而在此频段肌电信号的传输稳定性更高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于肌电信号传输的植入天线。该植入天线具有尺寸小、效率高、宽频带、可应用于人体通信频段的特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于肌电信号传输的植入天线，包括：铜箔空心圆柱体、介质基板、螺旋天线、线圈，所述介质基板包覆于铜箔空心圆柱体的外侧面，所述螺旋天线绕制于介质基板的外侧，所述螺旋天线的外侧设有线圈；所述线圈以集总端口的方式馈电，通过线圈对螺旋天线以耦合馈电的方式馈电。
进一步地，所述介质基板为柔性磁片，其相对磁导率为20.7，磁损耗角正切值为0.12，相对介电常数为13，介电损耗角正切值为0.17。
进一步地，所述螺旋天线为圆极化偶极子螺旋天线，工作频率为10-60MHz。
进一步地，所述铜箔空心圆柱体的内半径为5mm，所述铜箔空心圆柱体的壁厚为0.1mm。
进一步地，所述螺旋天线的螺旋半径为6.26mm，螺距为0.31mm。
进一步地，所述线圈的半径为7.26mm。
进一步地，所述线圈上设有缺口，所述缺口的长度为0.5mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明基于肌电信号传输的植入天线的尺寸较小，符合植入天线对小型化的要求；本发明基于肌电信号传输的植入天线具有较宽的频带，大大提高了植入天线的容错性，让天线在受到干扰时也能稳定的工作；本发明基于肌电信号传输的植入天线在其覆盖频段内具有较好的增益以及辐射效率，可以高效率辅助手臂机器人的肌电信号传输。
附图说明
图1为本发明基于电信号传输的植入天线的结构示意图；
图2为本发明基于电信号传输的植入天线的俯视图；
图3为传统螺旋天线直接馈电的回波损耗图；
图4为本发明基于电信号传输的植入天线馈电的回波损耗图；
图5为本发明基于电信号传输的植入天线的输入阻抗报告结果图；
图6为本发明基于电信号传输的植入天线的增益方向图：图6中的左图表示xoz面内的增益方向图，图6中的右图表示xoy面内的增益方向图；
图7为不同馈电方式的效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
如图1-2，本发明提供了一种基于肌电信号传输的植入天线，包括：铜箔空心圆柱体1、介质基板2、螺旋天线3、线圈4，介质基板2包覆于铜箔空心圆柱体1的外侧面，以缩小植入天线的尺寸，螺旋天线3绕制于介质基板2的外侧，螺旋天线3的外侧设有线圈4，本发明中的线圈4的半径为7.26mm，线圈4的横截面半径为0.31mm，线圈4上设有缺口，缺口的长度为0.5mm，作为馈电端口。本发明中的铜箔空心圆柱体1的内半径为5mm，铜箔空心圆柱体1的壁厚为0.1mm，将铜箔空心圆柱体1作为天线辐射单元的反射面，可将辐射导向人体外侧；线圈4以集总端口的方式馈电，通过线圈4对螺旋天线3以耦合馈电的方式馈电，大大提高了植入天线整体的辐射效率。本发明的植入天线具有良好的阻抗带宽，且可以提高植入天线的容错率；带内频段具有高增益以及较好的辐射效率，表明该植入天线适用于辅助手臂机器人的肌电信号传输。
本发明中的介质基板2为柔性磁片，其相对磁导率为20.7，磁损耗角正切值为0.12，相对介电常数为13，介电损耗角正切值为0.17，厚度为1mm。本发明中的介质基板2的柔韧度较高，可以包覆于铜箔空心圆柱体1的外侧，从而保证圆极化天线的设计需求。
由于植入天线的位置及方向具有不可见性，如果体内外天线都只有线极化特性，很容易发生极化失配，导致辐射能量大量损耗，天线的圆极化特性可以防止极化失配，抑制多径干扰，降低误码率。为了满足圆极化的需求，也为了减小植入天线的体积，本发明中对两根铜线采用偶极子螺旋天线的方法进行绕制，以满足偶极子天线四分之一波长的要求，因此，本发明中的螺旋天线3为圆极化偶极子螺旋天线，螺旋半径为6.26mm，螺距L3为0.31mm，螺旋天线3的横截半径为0.31mm，工作频率为10-60MHz。通过螺旋天线3的圆极化，可以减少对植入天线位置的限制，利于体内外天线通信。
将本发明植入天线的回波损耗与传统螺旋天线的回波损耗进行比较，图3为传统螺旋天线直接馈电的回波损耗图，图4为本发明基于电信号传输的植入天线馈电的回波损耗图，可以看出，本发明植入天线使用线圈耦合馈电的方式能够在不显著增加植入天线尺寸的前提下，扩展频带，其带宽增加了50%，相对带宽增加了近一倍；中心频率约为31.4MHz。
如图5为本发明基于电信号传输的植入天线的输入阻抗报告结果图，该植入天线的输入阻抗为（49.0+j2.0）Ω，馈电端口的阻抗为50Ω，使得植入天线的阻抗和馈电端口的阻抗一致，能够有效减少回波损耗，提高辐射效率。
如图6为本发明基于电信号传输的植入天线的增益方向图：图6中的左图表示xoz面内的增益方向图，图6中的右图表示xoy面内的增益方向图，可以看出该植入天线是一个全方向辐射的天线，且螺旋天线3的绕旋方向的不会影响到植入天线的辐射性能。
如图7为不同馈电方式的效率对比图，本发明中采用螺旋天线3，在直接馈电方式不能使用的情况下，使用线圈4耦合馈电的方式能够很好的解决馈电点的问题。通过线圈4的耦合馈电的方式调整了中心频率，提高的天线的带宽与阻抗匹配，最后得到了阻抗带宽约为9.5%的天线。从图7中可以看出，采用直接馈电的天线在中心频率30.3MHz的辐射效率最高为9.6579%，而本发明设计的植入天线在中心频率31MHz辐射效率能够达到90.269%，在天线的辐射效率上提升了近10倍。
本发明的植入天线的尺寸约为20mm×10mm×10mm，将工作频段设置在10-60MHz之间，可以与人体尺寸相比拟，因此人体对HBC信号的遮挡效应更弱，其传输特性受人体的走动和姿势变化的影响也更小，故而在HBC的传输稳定性更高。因此，本发明的植入天线具有尺寸小、效率高、宽频带、可应用于人体通信频段的特点。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，包括：铜箔空心圆柱体（1）、介质基板（2）、螺旋天线（3）、线圈（4），所述介质基板（2）包覆于铜箔空心圆柱体（1）的外侧面，所述螺旋天线（3）绕制于介质基板（2）的外侧，所述螺旋天线（3）的外侧设有线圈（4）；所述线圈（4）以集总端口的方式馈电，通过线圈（4）对螺旋天线（3）以耦合馈电的方式馈电。
2.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述介质基板（2）为柔性磁片，其相对磁导率为20.7，磁损耗角正切值为0.12，相对介电常数为13，介电损耗角正切值为0.17。
3.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述螺旋天线（3）为圆极化偶极子螺旋天线，工作频率为10-60MHz。
4.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述铜箔空心圆柱体（1）的内半径为5mm，所述铜箔空心圆柱体（1）的壁厚为0.1mm。
5.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述螺旋天线（3）的螺旋半径为6.26mm，螺距为0.31mm。
6.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述线圈（4）的半径为7.26mm。
7.根据权利要求1所述基于肌电信号传输的植入天线，其特征在于，所述线圈（4）上设有缺口，所述缺口的长度为0.5mm。
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