CN114421144B - 一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线，涉及一种通过在天线辐射面的对角线上添加一对对称狭缝，从而激励出两个振幅相等且相位差为90°的正交输入，以此实现天线按照圆极化的极化方式辐射的方法。该天线由平行放置的两层基板、设置在两层基板之间的正方形辐射贴片、天线输出端口组成。通过在敷铜材质的天线辐射面上加载方环状蛇形短截线以优化电流路径，进一步地减小了天线的体积。本发明提出的植入式圆极化天线可集成在如心脏起搏器、人工心脏、体内传感器等植入人体组织中的医疗器械的外壳上，用于接收微波无线充电的电能，从而无需手术更换器械电池，大大降低了病人手术的风险和经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及医疗电子器械技术领域，更具体的，涉及一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线
背景技术
全球依靠植入式医疗装置维持正常生活的人群比较庞大，而像心脏起搏器此类相对较大的植入式有源装置，大多采用一次性电池或者有线方式进行供电。针对这些方式面临电池电量耗尽就需要再次手术更换起搏器及有线皮肤感染等问题出现的弊端，本设计旨在提出一种能够透过人体组织为植入式医疗器械接收无线充电功率的植入式圆极化天线。
植入式圆极化天线可以避免传统线极化天线因存在对准误差角度而产生的效率损失，因为圆极化的天线可以接收任意线极化的电磁波，且能抑制电磁波在多条路径和反射下产生的线极化角度改变的问题。植入式圆极化天线的基本参数是最大增益方向上的轴比，任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴2A和短轴2B轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表圆极化的纯度，轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。
发明内容
为解决上述电池能量耗尽只能手术更换植入式器械的问题，本发明提供一种能够透过人体组织为植入式医疗器械接收无线充电功率的植入式圆极化天线。
本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：设计的天线包括平行设置的上覆盖板(3)和天线基板(5)、设置在上覆盖板(3)和天线基板(5)之间的正方形敷铜辐射贴片(4)、设置在天线基板(5)下表面的接地层(6)、天线输出端口(7)；正方形辐射贴片(4)的对角线上开有一对矩形狭缝槽(2)以激励出圆极化，在正方形辐射贴片(4)的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线(1)以优化电流路径，进一步地减小天线的体积。
进一步的,所述天线输出端口(7)的馈电芯棒贯穿天线基板，一端与辐射贴片(4)相接，另一端与接地层(6)相接。
进一步的,所述辐射贴片(4)和接地层(6)的材质为金属铜材质，如果为了追求更好的导电性能，还可换成金材质。
进一步的,所述上覆盖板(3)和天线基板(5)的材质为环氧树脂材质，如果为了追求更好的辐射性能，还可换成介电常数更高的高频基板材质。
本发明提供了一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化，通过在两基板之间的辐射贴片对角线上开一组矩形狭缝槽以引入大小相等、相位相差90°的正交激励，实现了天线辐射的圆极化；在辐射贴片上的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线用以优化电流路径，实现了天线尺寸的小型化，增强了天线的阻抗带宽。
以上所述仅是本发明的发明内容，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，将该种圆极化天线形式运用在毫米波及更高频段，也应视为本发明的保护范围。
附图说明
图1是根据本发明实例提供的一种植入式圆极化天线的辐射贴片层示意图；
图2是根据本发明实例提供的一种植入式圆极化天线的结构示意图；
图3是根据本发明实例提供的一种天线用于植入式器械无线充电的结构想象图；
图4是根据本发明实例提供的一种植入式圆极化天线回波损耗参数S11的仿真和实测结果示意图
图5是根据本发明实例提供的一种植入式圆极化天线轴比参数的仿真结果示意图
图6是根据本发明实例提供的一种植入式圆极化天线增益参数的仿真结果示意图其中包括：方环状蛇形短截线-1；矩形狭缝槽-2；
上覆盖板-3；敷铜辐射贴片-4；天线基板-5；接地层-6；天线输出端口-7；
用于能量接收的植入式圆极化天线-8；通讯天线-9；电池-10；电源管理电路板-11；外壳-12；植入式医疗器械-13；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案详细描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，方位术语“下端”“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构图和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种植入式圆极化天线，所述植入式圆极化天线包括：平行设置的上覆盖板(3)和天线基板(5)、设置在上覆盖板(3)和天线基板(5)之间的正方形敷铜辐射贴片(4)、设置在天线基板(5)下表面的接地层(6)、天线输出端口(7)；正方形辐射贴片(4)四角的对角线上开有一对矩形狭缝槽(2)以激励出圆极化，在正方形辐射贴片(4)的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线(1)以优化电流路径，进一步地减小天线的体积。上述天线的极化方式为圆极化。
上述圆极化的实现方式为在敷铜辐射贴片(4)的对角线上开一对矩形狭缝槽(2)以引入大小相等、相位差90°的两个激励。
上述方环状蛇形短截线(1)由相同粗细、不同长度的开槽组成。
上述矩形狭缝槽(2)可以在另一个对角线上开槽，以实现和之前的左手圆极化刚好相反的右手圆极化。
上述天线输出端口(7)一端穿过敷铜辐射贴片(4)，另一端连接接地层(6)，用于输出天线接收到的充电功率。
上述的接地层(6)和敷铜辐射贴片(4)均为金属铜材质。
上述的上覆盖板(3)和天线基板(5)均为环氧树脂材质。
上述的天线形式不仅限运用于具体单个频段，可推广至毫米波及更高频段。
上述的植入式圆极化天线主要用于接收微波乃至毫米波频段的射频能量，经整流后为植入式器械的锂电池供电。
参考图1和图2，本实施例提供一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线，该天线包括包括平行设置的上覆盖板(3)和天线基板(5)、设置在上覆盖板(3)和天线基板(5)之间的正方形敷铜辐射贴片(4)、设置在天线基板(5)下表面的接地层(6)、天线输出端口(7)；正方形辐射贴片(4)的对角线上开有一对矩形狭缝槽(2)，在正方形辐射贴片(4)的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线(1)。
参照图1，辐射贴片(4)的对角线上开有一对矩形狭缝槽(2)，使得从天线输出端口(7)到中心辐射贴片的路径变成两条，且两条路径的长度刚好使得经过路径的两个波形相差90度，从而为天线馈入了大小相等、相位相差90°的正交激励，使天线的极化方式变为圆极化。
参考图1，在正方形辐射贴片(4)的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线(1)以优化电流路径，有助于实现天线的小型化。
参照图1，天线的辐射贴片上各部分具体尺寸参数如表1所示；
表1
参考图2，植入式圆极化天线还包括天线输出端口(7)，天线输出端口(7)用于输出天线接收到的射频功率，天线输出端口(7)的馈电芯棒贯穿天线基板(5)并与正方形敷铜辐射贴片(4)所在层电连接，天线输出端口(7)的接地端与接地层(6)电连接。
植入式圆极化天线的上覆盖板(3)和天线基板(5)的尺寸均为30mm×30mm，两块板材的厚度均为0.8mm，基板的材质性能为相对介电常数εr＝4.4，损耗正切角tanδ＝0.04，敷铜辐射贴片(4)和接地层(6)的厚度为0.035mm，材质均为金属铜；天线整体的厚度为1.67mm；
参照图3，一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线的一个具体实施例，用于能量接收的植入式圆极化天线(8)和用于传输传感器状态、电量等信息的通讯天线(9)安置在植入式医疗器械(13)的外壳(12)上，外壳(10)包裹着电池(10)和能量接收器所有电路整合而成的电源管理电路板(11)，其中电池(10)是可充电的锂电池。
参照图4和图5，为了进一步分析上文所述的植入式圆极化天线的性能，本发明对其性能进行了仿真模拟和实际测试：在HFSS软件仿真中，将上述天线模型放置在肌肉材质的模型盒中，该模型盒的尺寸为100mm×100×50mm，天线的植入深度为20mm，仿真模型如图4所示；在实际测试中，本发明将天线置于碎猪肉中，使用矢量网络分析仪测试天线的端口性能。
参照图4，上文所述的植入式圆极化天线在1.86-1.94GHz与2.39-2.51GHz两个频段内回波损耗S11均小于-10dB,说明该天线覆盖了这两个频段。
参见图5，上文所述的植入式圆极化天线2.45GHz处的轴比约为1，说明该天线在2.45GHz处的极化方式为圆极化。
参见图6，上文所述的植入式圆极化天线2.45GHz处的最大增益为-8.27dBi；
本发明实施例提供了一种用于体内器械微波无线充电的植入式圆极化天线，通过在辐射贴片的主对角线上开一对矩形狭缝槽，引入大小相等、相位相差90°的正交激励，实现了天线的圆极化；本发明实施例提供的植入式圆极化天线可植入肌肉组织中，在介电常数和电导率高的肌肉组织中具有良好的圆极化性能和阻抗带宽，可以用于接收微波无线充电的电能，后续经过整流后为体内医疗装置的锂电池供电，可以广泛地应用到生物医学领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种植入式圆极化天线，其特征在于，所述植入式圆极化天线包括：
平行设置的上覆盖板(3)和天线基板(5)、设置在上覆盖板(3)和天线基板(5)之间的正方形敷铜辐射贴片(4)、设置在天线基板(5)下表面的接地层(6)、设置在接地层(6) 下表面的天线输出端口(7); 正方形敷铜辐射贴片(4)四角的一组对角线上开有一对矩形狭缝槽(2)以激励出圆极化，在正方形敷铜辐射贴片(4)的中间部分开有一圈方环状蛇形短截线(1)以优化电流路径，进一步地减小天线的体积；所述方环状蛇形短截线(1)由相同粗细、不同长度的开槽组成。
2.根据权利要求1所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述天线的极化方式为圆极化。
3.根据权利要求2所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述圆极化的实现方式为在所述正方形敷铜辐射贴片(4) 四角的所述一组对角线上开一对矩形狭缝槽(2)以引入大小相等、相位差90°的两个激励。
4.根据权利要求1所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述天线输出端口(7)一端穿过正方形敷铜辐射贴片(4)，另一端连接接地层(6)，用于输出天线接收到的充电功率。
5.根据权利要求4所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述的接地层(6)和正方形敷铜辐射贴片(4)均为金属铜材质。
6.根据权利要求1所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述的上覆盖板(3)和天线基板(5)均为环氧树脂材质。
7.根据权利要求1所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述的天线形式不仅限运用于具体单个频段，可推广至毫米波及更高频段。
8.根据权利要求1所述的植入式圆极化天线，其特征在于，所述的植入式圆极化天线用于接收微波乃至毫米波频段的射频能量，经整流后为植入式器械的锂电池供电。
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