CN115332805A - 一种用于体内通信的宽带圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于体内通信的宽带圆极化天线，属于生物医学遥测技术领域。本发明所述天线包括两层厚度不同的第一基板和第二基板，位于两层基板之间的主辐射贴片，设于第二基板下表面的金属地板，底部50欧姆同轴接头和设于第一基板上表面的寄生贴片；主辐射贴片由方形环、五个小方形贴片、沿对角线互相垂直的四根金属条带和一对对称劈裂缝组成；寄生贴片呈中心旋转对称，寄生贴片由四组L型枝节和单枝节构成；可以实现几个有益效果：通过调整劈裂缝的尺寸可以提高天线的紧凑性，并且使天线具有潜在的圆极化特性；通过引入寄生贴片可以实现大带宽范围内的圆极化和阻抗匹配，并且不影响天线的低剖面特性。本发明提供的宽带圆极化体内通信天线，具有宽轴比带宽，宽阻抗带宽，以及小型化、易集成和低剖面等优点，可植入人体组织中，为人体生理/病理数据采集提供稳定的无线通信链接。
Description
技术领域
本发明属于生物医学遥测技术领域，具体涉及一种用于体内通信的宽带圆极化天线。
背景技术
当今中国已步入老龄化社会，对高质量的医疗保健业务需求日益增大。无线生物医疗设备因消除了与人体植入物之间的有线连接产生的不适感，且可以方便地获得用于诊断和后续治疗的有益信息，因此在健康监测、医疗诊断、疾病治疗和修复等方面发挥重要作用，成为当前及未来医疗发展的主要趋势。
对于工作于人体组织内部的体内通信天线，由于人体的电参数会随着组织部位、频率、个体和年龄的差异而不同，这对天线设计提出了宽带化的要求以避免天线失谐。医院等室内场所多径效应明显，而圆极化天线具有抗多径效应能力强，从而能降低通信误码率，保证通信链路稳定性的优点，因此特别适用于人体内外之间的无线通信。综上，设计出用于体内通信的宽带圆极化天线十分必要。衡量圆极化天线宽带特性的基本指标是输入端口处的阻抗带宽和最大增益方向上的轴比带宽。因此如何在保持天线结构紧凑的同时让天线呈现出良好阻抗匹配和轴比特性，是用于体内通信圆极化天线设计的难点。
本领域现有技术一般采用加载缝隙、加载短路销钉和切角等方式产生两个幅度相等且相位相差90°的正交场来实现圆极化辐射，但轴比带宽都较低，不利于在生物医学遥测技术领域中的应用。
现有技术“A Wideband Circularly Polarized Implantable Patch Antennafor ISM Band Biomedical Applications”公开了一种在ISM频段用于生物医学应用的宽带圆极化植入式贴片天线，其阻抗带宽和轴比带宽分别达到了21.5％和15.8％，但该天线的剖面较高，带宽受到结构本身的限制。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于体内通信的宽带圆极化天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于体内通信的宽带圆极化天线，包括寄生贴片1、主辐射贴片2、金属地板3、第二基板4、第一基板5和同轴接头6；
第一基板5和第二基板4互相平行设置；寄生贴片1位于第一基板5的上表面；主辐射贴片2位于第一基板5的下表面，且位于第二基板4的上表面；金属地板3位于第二基板4的下表面；金属地板3、第二基板4和第一基板5呈方形结构；
寄生贴片1为具有90°中心旋转对称性的正交类十字形微带结构，包括四条L型枝节和四条单枝节；L型枝节的两条子枝节紧密连接，第一条子枝节由第一基板5上表面的中心延伸至一条边的中心，第二条子枝节由第一条子枝节的末端延伸至第一基板5上表面位于第一条子枝节右侧的顶角；单枝节与L型枝节紧密连接，由第二条子枝节的末端向第一基板5上表面的中心延伸并留有间距；
主辐射贴片2包括金属方环、五个方形金属贴片和四条金属条带；金属方环的边与第二基板4的边平行，中心与第二基板4的上表面中心重合；五个方形金属贴片的边与金属方环的边重合，位于金属方环的内部；第一方形金属贴片的中心与金属方环的中心重合；第二～第五方形金属贴片分别位于第一方形金属贴片的正上方、正左方、正下方和正右方，分别与金属方环的边沿中心位置重合；金属方环与第一方形金属贴片的右上角、左上角、左下角和右下角之间分别连接有第一～第四金属条带；第一金属条带和第三金属条带的中心位置劈裂，劈裂方向连接至第一方形金属贴片和金属方环的顶角。
同轴接头6位于金属地板3的下方，内芯穿过第二基板4与主辐射贴片2的第四方形金属贴片连接，外层金属与金属地板3连接。
进一步的，第二方形金属贴片的上边沿与金属方环的上边沿中心位置重合，第三方形金属贴片的左边沿与金属方环的左边沿中心位置重合，第四方形金属贴片的下边沿与金属方环的下边沿中心位置重合，第五方形金属贴片的右边沿与金属方环的右边沿中心位置重合。
进一步的，金属方环的右上角和第一方形金属贴片的右上角之间连接有第一金属条带；金属方环的左上角和第一方形金属贴片的左上角之间连接有第二金属条带；金属方环的左下角和第一方形金属贴片的左下角之间连接有第三金属条带；金属方环的右下角和第一方形金属贴片的右下角之间连接有第四金属条带。
进一步的，第二、第三和第五金属贴片尺寸相同。
进一步的，第一基板5的厚度小于第二基板4。
进一步的，第一基板5和第二基板4的厚度分别为0.254mm和0.635mm，相对介电常数都为10.2。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线运用的第一基板比下层第二基板的厚度更薄，且彼此紧贴在一起，没有空气间隙，更好实现小型化，且保证了低剖面特性；
本发明所述天线中的主辐射贴片通过利用方形环、五个小方形贴片、沿对角线方向内接的四条金属条带，两条金属条带沿对角线方向劈裂，天线实现宽阻抗带宽和小型化；通过调整劈裂缝的长度可以延长有效电流路径，进一步提高天线的紧凑性，并且使天线具有潜在的圆极化特性；
本发明所述天线引入具有旋转对称性的正交类十字形微带作为寄生贴片，利用寄生贴片对电场幅度和相位调控，在很宽的频带内满足圆极化的实现条件，使该天线具有宽的轴比带宽。
附图说明
图1为本发明所述天线的剖面示意图；
图2为本发明所述天线中寄生贴片的结构示意图；
图3为本发明所述天线中主辐射贴片的结构示意图；
图4为本实施例所述天线在单层皮肤组织模型中的S11参数仿真图；
图5为本实施例所述天线在单层皮肤组织模型中的轴比仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种用于体内通信的宽带圆极化天线，其剖面示意图如图1所示，包括寄生贴片1、主辐射贴片2、金属地板3、第二基板4、第一基板5和同轴接头6；
第一基板5和第二基板4互相平行设置；寄生贴片1位于第一基板5的上表面；主辐射贴片2位于第一基板5的下表面，且位于第二基板4的上表面；金属地板3位于第二基板4的下表面；金属地板3、第二基板4和第一基板5呈方形结构。
寄生贴片1的结构示意图如图2所示，为具有90°中心旋转对称性的正交类十字形微带结构，包括四条L型枝节和四条单枝节；L型枝节的两条子枝节紧密连接，第一条子枝节由第一基板5上表面的中心延伸至一条边的中心，第二条子枝节由第一条子枝节的末端延伸至第一基板5上表面位于第一条子枝节右侧的顶角；单枝节与L型枝节紧密连接，由第二条子枝节的末端向第一基板5上表面的中心延伸并留有间距。
寄生贴片1由正交类十字形微带组成，寄生贴片包含L型枝节和单枝节；通过调整单枝节的长度可以很好调节远场Ex/Ey的幅度比，并且在较宽的频带内使幅度比曲线波动减小。寄生贴片的四组枝节关于中心旋转对称，使得Ex/Ey在很宽的频带范围内趋于1，且保持平缓状态，同时Ex，Ey的相位差更加趋近90°，达到圆极化的充分条件，改善圆极化特性。
主辐射贴片2的结构示意图如图3所示，呈180°旋转对称结构，包括金属方环、五个方形金属贴片和四条金属条带；金属方环的边与第二基板4的边平行，中心与第二基板4的上表面中心重合；五个方形金属贴片的边与金属方环的边重合，位于金属方环的内部；第一方形金属贴片的中心与金属方环的中心重合；第二～第五方形金属贴片分别位于第一方形金属贴片的正上方、正左方、正下方和正右方；第二方形金属贴片的上边沿与金属方环的上边沿中心位置重合，第三方形金属贴片的左边沿与金属方环的左边沿中心位置重合，第四方形金属贴片的下边沿与金属方环的下边沿中心位置重合，第五方形金属贴片的右边沿与金属方环的右边沿中心位置重合；第二，第三和第五金属贴片尺寸相同。
金属方环的右上角和第一方形金属贴片的右上角之间连接有第一金属条带；金属方环的左上角和第一方形金属贴片的左上角之间连接有第二金属条带；金属方环的左下角和第一方形金属贴片的左下角之间连接有第三金属条带；金属方环的右下角和第一方形金属贴片的右下角之间连接有第四金属条带；第一金属条带和第三金属条带的中心位置劈裂，劈裂方向连接至第一方形金属贴片和金属方环的顶角。
金属条带上劈裂的缝隙延长了有效电流路径，降低天线的谐振频率，进而实现小型化。
同轴接头6位于金属地板3的下方，内芯穿过第二基板4与主辐射贴片2的第四方形金属贴片连接，外层金属与金属地板3连接。
第一基板5的厚度小于第二基板4。
本实施例中，第一基板5和第二基板4的厚度分别为0.254mm和0.635mm，相对介电常数都为10.2。
本实施例所述天线的结构参数如表1所示。
表1本实施例所述天线的结构参数
图4为本实施例所述天线在单层皮肤组织模型中的S11参数仿真图，显然，该天线的阻抗带宽范围为2.01GHz-2.72GHz，相对带宽达到了30％，可以很好抵抗人体组织变化带来的失谐，具有很宽的阻抗带宽和很好的阻抗匹配程度，比现有技术方案实现了更好的性能指标。
图5为本实施例所述天线在单层皮肤组织模型中的轴比(AR)仿真图，本实施例所述天线的轴比带宽范围为2.21GHz-2.95GHz，相对带宽达到了28.7％，具有很宽的轴比带宽，比现有技术方案指标大大提升。
Claims (6)
1.一种用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，包括寄生贴片(1)、主辐射贴片(2)、金属地板(3)、第二基板(4)、第一基板(5)和同轴接头(6)；
第一基板(5)和第二基板(4)互相平行设置；寄生贴片(1)位于第一基板(5)的上表面；主辐射贴片(2)位于第一基板(5)的下表面，且位于第二基板(4)的上表面；金属地板(3)位于第二基板(4)的下表面；金属地板(3)、第二基板(4)和第一基板(5)呈方形结构；
寄生贴片(1)为具有90°中心旋转对称性的正交类十字形微带结构，包括四条L型枝节和四条单枝节；L型枝节的两条子枝节紧密连接，第一条子枝节由第一基板(5)上表面的中心延伸至一条边的中心，第二条子枝节由第一条子枝节的末端延伸至第一基板(5)上表面位于第一条子枝节右侧的顶角；单枝节与L型枝节紧密连接，由第二条子枝节的末端向第一基板(5)上表面的中心延伸并留有间距；
主辐射贴片(2)包括金属方环、五个方形金属贴片和四条金属条带；金属方环的边与第二基板(4)的边平行，中心与第二基板(4)的上表面中心重合；五个方形金属贴片的边与金属方环的边重合，位于金属方环的内部；第一方形金属贴片的中心与金属方环的中心重合；第二～第五方形金属贴片分别位于第一方形金属贴片的正上方、正左方、正下方和正右方，分别与金属方环的边沿中心位置重合；金属方环与第一方形金属贴片的右上角、左上角、左下角和右下角之间分别连接有第一～第四金属条带；第一金属条带和第三金属条带的中心位置劈裂，劈裂方向连接至第一方形金属贴片和金属方环的顶角。
同轴接头(6)位于金属地板(3)的下方，内芯穿过第二基板(4)与主辐射贴片(2)的第四方形金属贴片连接，外层金属与金属地板(3)连接。
2.根据权利要求1所述的用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，第二方形金属贴片的上边沿与金属方环的上边沿中心位置重合，第三方形金属贴片的左边沿与金属方环的左边沿中心位置重合，第四方形金属贴片的下边沿与金属方环的下边沿中心位置重合，第五方形金属贴片的右边沿与金属方环的右边沿中心位置重合。
3.根据权利要求1所述的用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，金属方环的右上角和第一方形金属贴片的右上角之间连接有第一金属条带；金属方环的左上角和第一方形金属贴片的左上角之间连接有第二金属条带；金属方环的左下角和第一方形金属贴片的左下角之间连接有第三金属条带；金属方环的右下角和第一方形金属贴片的右下角之间连接有第四金属条带。
4.根据权利要求1所述的用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，第二、第三和第五金属贴片尺寸相同，与第四金属贴片的尺寸不同。
5.根据权利要求1所述的用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，第一基板(5)的厚度小于第二基板(4)。
6.根据权利要求1所述的用于体内通信的宽带圆极化天线，其特征在于，第一基板(5)和第二基板(4)的厚度分别为0.254mm和0.635mm，相对介电常数都为10.2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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