CN114050850A - 一种近距离通信系统及采用其的胶囊内窥镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种近距离通信系统及应用其的胶囊内窥镜，包括信号源，进一步包括第一阵列单元、第二阵列单元、第一馈线、第二馈线、阻抗变换部、阵列馈入部及阵列馈线，所述信号源的信号分别接入第一阵列单元和第二阵列单元，第一馈线连接第一阵列单元，第二馈线连接第二阵列单元，第一馈线和第二馈线分别经过阻抗变换部连接阵列馈入部及阵列馈线，所述第一馈线和第二馈线的通过调节馈线长度调节第一阵列单元及第二阵列单元接收信号到达阵列馈入部时的相位值。采用本发明的近距离通信系统，在近距离通信场景中信号源距离接收天线较近且移动范围较小的情况下，采用本发明近距离天线系统的信号接收效果较好，提升了数据传输的稳定性和传输效率。

Description

一种近距离通信系统及采用其的胶囊内窥镜
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及到一种近距离通信系统及其胶囊内窥镜。
背景技术
现有技术的阵列天线均针对远距离通信设计，例如卫星通信或雷达通信等领域，暂无针对近距离通信的阵列天线解决方案，现有的阵列天线通常是针对较远距离位置信号的接收，信号源到阵列天线接收单元的距离很远，其距离阵列天线各单元的距离可近似相等，相位值也近似相同，但对于胶囊内窥镜通信系统来说，作为信号源的胶囊内窥镜距离天线阵列的位置很近，因此胶囊内窥镜到接收天线阵列各个阵列单元的距离和相位各不相同，如果采用常规阵列天线的设计方法，则天线阵列单元叠加的效果会减弱，且不同单元间还存在负影响，导致接收信号的质量变差。
中国授权专利号CN104269612B提出一种近距离平面阵列多输入多输出成像天线布局方法，该方案应用于近距离微波成像领域，并不能直接应用于胶囊内窥镜的近距离通信应用场景。
因此，有必要设计一种适用于胶囊内窥镜的近距离通信解决方案。
发明内容
本方案提出一种近距离阵列天线方案，针对近距离信号源的接收进行优化，使其对于近距离信号源的接收效果达到最优，本方案提出一种设计阵列天线的方法，通过调节阵列天线单元的相位值来优化该阵列天线对于近距离位置信号源的信号的接收，技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种近距离通信系统，包括信号源，进一步包括第一阵列单元、第二阵列单元、第一馈线、第二馈线、阻抗变换部、阵列馈入部及阵列馈线，所述信号源的信号分别接入第一阵列单元和第二阵列单元，第一馈线连接第一阵列单元，第二馈线连接第二阵列单元，第一馈线和第二馈线分别经过阻抗变换部连接阵列馈入部及阵列馈线。
进一步的，所述第一馈线和第二馈线的通过调节馈线长度调节第一阵列单元及第二阵列单元接收信号源的信号到达阵列馈入部时的相位值。
进一步的，所述第一馈线、第二馈线的及进入阵列馈线的阻抗均为50欧姆。
进一步的，所述第一阵列单元的相位φ1和第二阵列单元的相位φ2满足公式(1)：
Figure RE-GDA0003469168200000021
其中第一馈线长度为L1，第二馈线长度为L2，电磁波沿馈线传播速度为c1，电磁波的频率为f，所述第一馈线长度为L1与第二馈线长度为L2满足公式(2)：
Figure RE-GDA0003469168200000022
进一步的，所述第一馈线长度为L1与第二馈线长度为L2进一步满足公式(3)：
Figure RE-GDA0003469168200000023
其中k取整数，c为空间电磁波的传播速度，接收到信号的频率为f，d1为信号源距离第一阵列单元的距离，d2为信号源距离第二阵列单元的距离。
进一步，第一馈线长度L1与第二馈线长度L2满足公式(4)至(6)：则存在几何关系式(4)：
Figure RE-GDA0003469168200000024
Figure RE-GDA0003469168200000025
Figure RE-GDA0003469168200000026
其中a是两阵列单元的间距。
进一步的，所述阻抗变换部的特征阻抗为70.7欧姆。
第二方面，本发明提供一种胶囊内窥镜，所述胶囊内窥镜采用第一方面任一项所述的近距离通信系统进行数据通信。
本发明的有益技术效果：在近距离通信场景中信号源距离接收天线较近且移动范围较小的情况下，采用本发明的近距离天线系统的信号接收效果较好，提升了数据传输的稳定性和传输效率。
附图说明
图1：本发明近距离阵列天线通信原理图；
图2：本发明实施例一的二元近距离通信天线阵列设计图；
图3：本发明实施例二的多元近距离通信天线阵列设计图；
各序号及对应的名称：信号源10，第一阵列单元20，第二阵列单元30，第一馈线40，第二馈线50，阻抗变换部60，阵列馈入部70，多元阵列天线阵列单元 80，二元阵列天线单元90。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1本发明近距离阵列天线通信原理图，信号源10发射信号经过距离d1到达第一阵列单元，经过距离d2到达第二阵列单元，由于d1和d2存在差异，故第一阵列单元20和第二阵列单元30接收到信号的相位值不同，故需要在天线设计时将相位值进行调整补偿差异。
请参考图2本发明实施例一的二元近距离通信天线阵列设计图，第一阵列单元20及第二阵列单元30接收信号源10发出的无线信号，并分别通过第一馈线40、第二馈线50及阻抗变换部60到达阵列馈入部70，最后进入多元阵列天线阵列单元80，将第一阵列单元20及第二阵列单元30各自接收的信号叠加，实现阵列天线的增益效果。
具体应用中可根据信号源10的位置计算得出第一阵列单元20及第二阵列单元30接收到信号源10信号的相位值，进一步可得到第一阵列单元20及第二阵列单元30接收信号的相位差值，通过调节第一馈线40和第二馈线50的线长调节第一阵列单元20及第二阵列单元30接收信号到达阻抗变换部60时的相位值，调节后使第一阵列单元20及第二阵列单元30接收到的信号分别通过第一馈线40和第二馈线50到达阻抗变换部60时的相位相同，实现第一阵列单元20 及第二阵列单元30接收到的信号叠加后的信号质量达到最优，优选的，第一馈线40、第二馈线50的阻抗均为50欧姆，阻抗变换部60叠加连接后，在阻抗变换部60中间位置的阻抗亦为50欧姆，故阵列馈入部70的阻抗同样为50欧姆。
实施例一：二元近距离通信阵列天线的设计方案的详细设计步骤如下：步骤201：计算阵列天线各阵列单元接收到信号源的相位值。
参考图1本发明近距离通信阵列天线原理图，第一阵列单元20及第二阵列单元30的间距为a，以第一阵列单元20的中心为坐标原点建立坐标系，则第一阵列单元20坐标为(0，0，0)，第二阵列单元30的坐标为(0，a，0)，信号源10的坐标为(x0，y0，z0)。信号源10距离第一阵列单元20的距离为d1，信号源10距离第二阵列单元30的距离为d2，其中：
Figure RE-GDA0003469168200000041
设定周围空间电磁波的传播速度为c，接收到信号的频率为f，阵列单元间距
Figure RE-GDA0003469168200000042
则可得到第一阵列单元20及第二阵列单元30接收到信号源10信号的相位值分别为
Figure RE-GDA0003469168200000043
步骤202：计算阵列天线中的阵列单元馈线长度。
参考图2实施例一的阵列天线中的阵列单元馈线长度设计：第一馈线40长度为L1，第二馈线50长度为L2，馈线阻抗为50欧姆，电磁波沿馈线传播速度为c1，电磁波的频率为f0。
由于第一阵列单元20及第二阵列单元30接收信号并到达阻抗变换部60的相位φ1和φ2需保持相同，则可以得到关系式(1)及关系式(2)：
Figure RE-GDA0003469168200000044
Figure RE-GDA0003469168200000045
由于相位具有周期性，则由公式(3)可得无穷个结果：
Figure RE-GDA0003469168200000051
其中k取正整数，在实际应用中L2-L1取正值解中的最小值，可减少天线设计时的馈线长度。
由于第一阵列单元20及第二阵列单元30的间距为a,则存在几何关系式(4)
Figure RE-GDA0003469168200000052
通过几何关系式(4)进一步可计算得到关系式(5)和关系式(6)：
Figure RE-GDA0003469168200000053
Figure RE-GDA0003469168200000054
步骤203：增加阻抗变换部及阵列馈线完成阵列天线设计。
第一馈线40和第二馈线50的特征阻抗均为50欧姆，阻抗变换部60的特征阻抗为70.7欧姆，长度为
Figure RE-GDA0003469168200000055
阻抗变换部的中点位置接入阵列馈入部70。
本领域普通技术人员若将第一阵列单元20及第二阵列单元30结合形成的阵列天线视为更大阵列天线的一个阵列单元，计算第一阵列单元20及第二阵列单元30形成的阵列天线到达阵列馈入部70的相位值作为更大阵列天线的一个阵列单元的相位值，并按照实施例一的方式进行阵列叠加，则能设计出更大增益的多阵列单元的阵列天线。
请参考图3本发明实施例二的多元近距离通信天线阵列设计图，将本发明实施例一的二元阵列天线作为阵列单元进一步叠加可得到多元阵列天线，多元阵列天线的阵列单元数量为2k，k为大于1的正整数。
详细设计步骤如下：
步骤301：计算阵列天线中的阵列单元接收信号源的相位值；
以多元阵列天线阵列单元80的中心为坐标原点，阵列面设立XY轴，垂直阵列面方向为Z轴建立坐标系，两个相邻的多元阵列天线阵列单元80组成二元阵列天线单元90，相邻阵列单元间距为
Figure RE-GDA0003469168200000061
则可确定各个阵列单元中心位置的坐标，多元阵列天线的第一阵列单元20作为坐标系原点(0,0,0)，多元阵列天线的第m行n列阵列单元的坐标为
Figure RE-GDA0003469168200000062
信号源10坐标为(x0,y0,z0)；
由阵列单元的坐标值可计算得到信号源到第m行n列阵列单元的距离值
Figure RE-GDA0003469168200000063
进一步可计算得到多元阵列天线的第m行n列阵列单元接收到信号源信号的相位值为
Figure RE-GDA0003469168200000064
步骤302：计算阵列天线中的阵列单元馈线长度；
多元阵列天线的第一阵列单元20的馈线长度L1与第m行n列阵列单元的馈线长度Lmn的差值：
Figure RE-GDA0003469168200000065
其中k取正整数，在实际应用中Lmn-L1取正值解中的最小值，
将多元阵列天线的各个阵列单元组合形成二元阵列天线的集合，将各个二元阵列天线作为多元阵列天线的阵列单元。
根据多元阵列天线的第一阵列单元20的馈线长度L1与第m行n列阵列单元的馈线长度Lmn的差值，进一步计算得到各个二元阵列天线的两阵列单元之间的馈线长度差值，进一步参照实例一计算方法得到多元阵列天线中各阵列单元的馈线长度。
步骤303：增加阻抗变换部及阵列馈线完成阵列天线设计。
参照图3将多元阵列天线的阵列单元组合形成二元阵列天线的集合，各个二元阵列天线阻抗变换及阵列馈线的设计茹实施例一所述，进一步以二元阵列天线为阵列单元形成新的阵列天线，然后将新的阵列天线的所有阵列单元组合为二元阵列天线，并设计相应的阻抗变换部及阵列馈线。
进一步的，所述二元阵列天线单元90的第一馈线40和第二馈线50还可采用移相器来实现相位调节，便于在信号源位置大幅移动时通过实时调节相位来保证信号的稳定接收。
本发明还提供一种胶囊内窥镜，所述胶囊内窥镜采用实施例一的二元近距离通信天线阵列或实施例二的多元近距离通信天线阵列进行通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的发明构思范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种近距离通信系统，包括信号源，其特征在于，进一步包括第一阵列单元、第二阵列单元、第一馈线、第二馈线、阻抗变换部、阵列馈入部及阵列馈线，所述信号源的信号分别接入第一阵列单元和第二阵列单元，第一馈线连接第一阵列单元，第二馈线连接第二阵列单元，第一馈线和第二馈线分别经过阻抗变换部连接阵列馈入部及阵列馈线。
2.如权利要求1所述的近距离通信系统，其特征在于，所述第一馈线和第二馈线的通过调节馈线长度调节第一阵列单元及第二阵列单元接收信号源的信号到达阵列馈入部时的相位值。
3.如权利要求1所述的近距离通信系统，其特征在于，所述第一馈线、第二馈线的及进入阵列馈线的阻抗均为50欧姆。
4.如权利要求1所述的近距离通信系统，其特征在于，所述第一阵列单元的相位
Figure 954460DEST_PATH_IMAGE001
和第二阵列单元的相位
Figure 76086DEST_PATH_IMAGE002
满足公式（1）：
Figure 979320DEST_PATH_IMAGE003
，其中第一馈线长度为L1，第二馈线长度为L2，电磁波沿馈线传播速度为c1，电磁波的频率为f，所述第一馈线长度为L1与第二馈线长度为L2满足公式（2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
5.如权利要求4所述的近距离通信系统，其特征在于，所述第一馈线长度为L1与第二馈线长度为L2进一步满足公式（3）：
Figure 518885DEST_PATH_IMAGE005
，其中k取整数， c为空间电磁波的传播速度，接收到信号的频率为f，d1为信号源距离第一阵列单元的距离，d2为信号源距离第二阵列单元的距离。
6.如权利要求4所述的近距离通信系统，其特征在于，所述第一馈线长度L1与第二馈线长度L2满足公式（4）至（6）：
Figure 165767DEST_PATH_IMAGE006
Figure 5547DEST_PATH_IMAGE007
Figure 955049DEST_PATH_IMAGE008
。
7.如权利要求1所述的近距离通信系统，其特征在于，所述阻抗变换部的特征阻抗为70.7欧姆。
8.一种胶囊内窥镜，其特征在于，所述胶囊内窥镜采用权利要求1至7任一项所述的近距离通信系统进行数据通信。
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