CN116505232A - 一种小型化自双工植入式天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种小型化自双工植入式天线,包括:介质基板、覆盖层,覆盖层位于介质基板顶部;介质基板顶部印刷有辐射面,介质基板底部印刷有地平面,辐射面和地平面之间通过第一矩形螺旋贴片短路探针及第二矩形螺旋贴片短路探针连通,辐射面与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线及第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线相连;辐射面包括第一矩形螺旋贴片及第二矩形螺旋贴片,第一矩形螺旋贴片、第二矩形螺旋贴片通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,第一矩形螺旋贴片和第二矩形螺旋贴片自旋角相差180°。本发明提供的小型化自双工植入式天线,结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、圆极化、自双工。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域,特别是涉及一种应用于生物遥测和无线能量传输的小型化自双工植入式天线。
背景技术
当今生物医学工程和个性化医疗保健发展迅速,促进了各国学者对于植入式医疗设备的研究。植入式医疗设备通过植入人体的方式来取代传统有线连接的方式,使被植入病患的舒适度和实时健康数据监测效果得到极大的提升。植入式医疗设备可以将病患的病理数据发送到人体外的医疗接收设备,为医生制定诊疗方案提供可靠的数据支撑。目前,作为收发数据的前端设备,植入式天线已被广泛的运用于胶囊内窥镜、心脏起搏器、脑起搏器等植入式医疗器械,也大规模用于检测和记录血压、血糖、心率、颅内压的植入式生物传感器当中。
植入式医疗器械和植入式生物传感器往往需要稳定的电能供应。但传统的植入式医疗器械和植入式生物传感器都依赖于设备内部的化学电池供电,受制于电池的储能以及电池的使用寿命,需要定期通过手术的方式对植入式设备的电池进行更换。这大大增加了患者的治疗风险以及成本。
因此,植入式医疗器械通过无线能量传输进行供电这种更加实用更加有效的方法逐渐成为研究的热点问题。对于面向生物遥测和无线能量传输的植入式天线,各国学者提出了一些不同方案。在《RadiativeNear-FieldWirelessPower TransfertoScalp-ImplantableBiotelemetricDevice》文献中,作者设计了一款双频段天线可在915MHz进行生物遥测,在1.9GHz进行能量传输,但没有解决双工运行的问题;在《WirelessPoweringandTelemetryofDeep-BodyIngestible BioelectronicCapsule》中作者提出了一种自双工的双频植入式天线,天线可同时在915MHz进行生物遥测和1.3GHz进行能量传输,实现了双工运行,但是其介质基板厚度仅为0.13mm加之短路探针使用数量过多,提高了后续天线加工制造的困难度;在《BiotelemetryandWirelessPoweringofBiomedicalImplantsUsingaRectifierIntegratedSelf-DiplexingImplantableAntenna》中作者也提出了一种自双工的双频植入式天线,天线可同时在915MHz进行生物遥测1.47GHz进行能量传输,但是生物遥测频段没有实现圆极化。因此,设计出一种结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、圆极化、自双工的双频植入式能量传输天线具有较高的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型化自双工植入式天线,结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、圆极化、自双工。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种小型化自双工植入式天线,包括:介质基板、覆盖层,所述覆盖层位于所述介质基板顶部;
所述介质基板顶部印刷有辐射面,所述介质基板底部印刷有地平面,所述辐射面和地平面之间通过第一矩形螺旋贴片短路探针及第二矩形螺旋贴片短路探针连通,所述辐射面与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线及第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线相连;
所述辐射面包括第一矩形螺旋贴片及第二矩形螺旋贴片,所述第一矩形螺旋贴片设置在所述第二矩形螺旋贴片左边,两者互不接触,所述第一矩形螺旋贴片、第二矩形螺旋贴片通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,所述第一矩形螺旋贴片和第二矩形螺旋贴片自旋角相差180°。
可选的,所述第一矩形螺旋贴片上设置有第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点及第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点,所述第二矩形螺旋贴片上设置有第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点及第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点,所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针,所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针;
所述地平面上设置有地平面右半平面短路过孔焊点、地平面右半平面同轴馈电接地端口、地平面左半平面短路过孔焊点及地平面左半平面同轴馈电接地端口,所述地平面右半平面短路过孔焊点连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针,所述地平面右半平面同轴馈电接地端口连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述地平面左半平面短路过孔焊点连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针,所述地平面左半平面同轴馈电接地端口连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线。
可选的,所述辐射面包括第一矩形螺旋贴片及第二矩形螺旋贴片,所述第一矩形螺旋贴片设置在所述第二矩形螺旋贴片左边,两者互不接触,所述第一矩形螺旋贴片、第二矩形螺旋贴片通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,所述第一矩形螺旋贴片和第二矩形螺旋贴片自旋角相差180°。
可选的,所述地平面设置有一条地平面矩形槽,所述矩形缝隙由后至前贯穿地平面,所述地平面矩形槽宽度为0.2mm。
可选的,第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心探针及第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心探针半径均为0.2mm,第一矩形螺旋贴片短路探针及第二矩形螺旋贴片短路探针半径均为0.2mm。
可选的,所述第一矩形螺旋贴片从左到右设置有一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙,所述一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙在第一矩形螺旋贴片的宽度比为3:2:4,所述第二矩形螺旋贴片由后至前设置一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙,所述一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙在第二矩形螺旋贴片的宽度均为0.2mm
可选的,在所述第一矩形螺旋贴片与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线结合处的上部连接有一段第一阻抗匹配枝节,用于改善天线的阻抗匹配,所述第一阻抗匹配枝节宽度0.4mm;
在所述第二矩形螺旋贴片与第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线结合处的左部连接有一段第二阻抗匹配枝节,用于改善天线的阻抗匹配。阻抗匹配枝节宽度0.4mm,第二阻抗匹配枝节与所述第二矩形螺旋贴片呈90°夹角。
可选的,所述第一矩形螺旋贴片与第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接处在第一矩形螺旋贴片的内旋,所述第二矩形螺旋贴片与第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接处在第二矩形螺旋贴片的外旋。
可选的,所述介质基板和覆盖层的材料为Rogers6010材料,相对介电常数为10.2。
可选的,所述辐射层和地平面均为金属铜材料。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供的小型化自双工植入式天线,引入了第二馈电端口,采用双馈电端口馈电的方式,通过在地平面开槽增加两辐射单元的隔离度,使生物遥测功能和无线能量传输功能可同时并行工作,避免因无线能量传输功能运行时导致生物遥测功能不可用的情况发生;采用矩形螺旋结构有利于延长电流的有效路径,通过对缝隙的尺寸进行调节可对主频点进行控制;本发明尺寸较小,体积仅为9.774mm3,在生物遥测频段具有宽带宽、圆极化、全双工等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的剖面结构示意图;
图2为本发明实施例的辐射面结构示意图;
图3为本发明实施例的地平面结构示意图;
图4为本发明实施例中天线在频率1.47GHz皮肤组织中的回波损耗曲线图;
图5为本发明实施例中天线在频率2.45GHz皮肤组织中的回波损耗曲线图;
图6为本发明实施例中天线在频率2.45GHz皮肤组织中的3dB轴比图;
图7为本发明实施例中天线在皮肤组织中的隔离度曲线图;
图8为本发明实施例中天线在中心频率1.47GHz的电流幅值分布图;
图9为本发明实施例中天线在中心频率2.45GHz的电流幅值分布图;
图10为本发明实施例中天线在频率1.47GHz皮肤组织中的辐射方向图;
图11为本发明实施例中天线在频率2.45GHz皮肤组织中的辐射方向图。
附图标记:1、覆盖层;2、辐射面;3、介质基板;4、地平面;5、第二矩形螺旋贴片短路探针;6、第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线;7、第一矩形螺旋贴片短路探针;8、第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线;9、地平面右半平面短路过孔焊点;10、地平面右半平面同轴馈电接地端口;11、地平面左半平面短路过孔焊点;12、地平面左半平面同轴馈电接地端口;13、第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点;14、第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点;15、第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点;16、第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点;17、第一矩形螺旋贴片;18、第二矩形螺旋贴片;19、地平面矩形槽;20、第一阻抗匹配枝节;21、第二阻抗匹配枝节;22、一号矩形缝隙;23、二号矩形缝隙;24、三号矩形缝隙。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种小型化自双工植入式天线,结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、圆极化、自双工。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示,本发明实施例中所描述的空间直角坐标系原点设置在所述地平面4的几何中心,z轴竖直向上设置,x轴水平向前设置,y轴水平向右设置。
如图1所示,一种小型化自双工植入式天线,其特征在于,包括:介质基板3、覆盖层1,所述覆盖层1位于所述介质基板3顶部;
所述介质基板3顶部印刷有辐射面2,所述介质基板3底部印刷有地平面4,所述辐射面2和地平面4之间通过第一矩形螺旋贴片短路探针7及第二矩形螺旋贴片短路探针5连通,所述辐射面2与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线及第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线6相连;
如图2所示,所述辐射面2包括第一矩形螺旋贴片17及第二矩形螺旋贴片18,所述第一矩形螺旋贴片17和第二矩形螺旋贴片18沿y轴轴向水平排列,所述第一矩形螺旋贴片17设置在所述第二矩形螺旋贴片18左边,两者互不接触,所述第一矩形螺旋贴片17、第二矩形螺旋贴片18通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,所述第一矩形螺旋贴片17和第二矩形螺旋贴片18自旋角相差180°。
所述第一矩形螺旋贴片17上设置有第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点13及第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点14,所述第二矩形螺旋贴片18上设置有第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点15及第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点16,所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点13连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线8,所述第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点14连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针7,所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点15连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线6,所述第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点16连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针5;
所述地平面4上设置有地平面右半平面短路过孔焊点8、地平面右半平面同轴馈电接地端口10、地平面左半平面短路过孔焊点11及地平面左半平面同轴馈电接地端口12,所述地平面右半平面短路过孔焊点8连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针5,所述地平面右半平面同轴馈电接地端口10连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线6,所述地平面左半平面短路过孔焊点11连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针7,所述地平面左半平面同轴馈电接地端口12连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线8。
如图3所示,所述地平面4设置有一条地平面矩形槽19,所述矩形缝隙沿x轴轴向贯穿地平面4,所述地平面矩形槽19尺寸为5.6mm×0.2mm,沿x轴方向的中心线距x轴0.2mm。
第一矩形螺旋贴片17同轴馈电中心探针及第二矩形螺旋贴片18同轴馈电中心探针半径均为0.2mm,第一矩形螺旋贴片短路探针7及第二矩形螺旋贴片短路探针5半径均为0.2mm。
如图2所示,所述第一矩形螺旋贴片17在x轴轴向设置有一号矩形缝隙22、二号矩形缝隙23、三号矩形缝隙24,所述一号矩形缝隙22、二号矩形缝隙23、三号矩形缝隙24在第一矩形螺旋贴片17上的的宽度比为3:2:4,所述第二矩形螺旋贴片18在y轴轴向设置有一号矩形缝隙22、二号矩形缝隙23、三号矩形缝隙24,所述一号矩形缝隙22、二号矩形缝隙23、三号矩形缝隙24宽度均为0.2mm。
在所述第一矩形螺旋贴片17与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线结合处的上部连接有一段第一阻抗匹配枝节20,用于改善天线的阻抗匹配,所述第一阻抗匹配枝节20宽度0.4mm;
在所述第二矩形螺旋贴片18与第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线6结合处的左部连接有一段第二阻抗匹配枝节21,用于改善天线的阻抗匹配。阻抗匹配枝节宽度0.4mm,第二阻抗匹配枝节21与所述第二矩形螺旋贴片18呈90°夹角。
所述第一矩形螺旋贴片17与第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点13连接处在第一矩形螺旋贴片17的内旋,所述第二矩形螺旋贴片18与第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点15连接处在第二矩形螺旋贴片18的外旋。
所述介质基板3和覆盖层1的材料为Rogers6010材料,相对介电常数为10.2。
所述辐射层和地平面4均为金属铜材料,所述第一矩形螺旋贴片17同轴馈电中心探针、第二矩形螺旋贴片18同轴馈电中心探针、第一矩形螺旋贴片短路探针7及第二矩形螺旋贴片短路探针5均为金属圆柱。
如图1-3所示,各元件具体尺寸参数如表1所示:
表1各元件尺寸参数表
图4为本实施例天线在频率1.47GHz皮肤组织中的回波损耗曲线,从图4中可以看出天线在1.42-1.51GHz频段内回波损耗小于-10dB,实现了传能频段。
图5和图6本实施例天线在频率2.45GHz皮肤组织中的回波损耗曲线和轴比曲线,从图5中可以看出天线在2.35-2.52GHz频段内回波损耗小于-10dB,实现了生物遥测频段:从图6可以看出天线在2.36-2.52GHz频段内轴比小于3dB,实现了生物遥测频段的双极化。
图7为本实施例的天线隔离度曲线,从图7中可以看出天线在1.42-1.51GHz频段和2.35-2.52GHz频段的隔离度小于-25dB,保证了端口1和端口2的正常工作。
图8为本实施例的天线在1.47GHz时第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线6的电场分布图,从图8中可以看出天线在1.47GHz时,电场最大值出现在第二矩形螺旋贴片18的中央矩形贴片处,激励贴片下方接地平面4上的电场分布大于激励贴片另一侧。当激励第二矩形螺旋贴片18时电场几乎不会耦合到第一矩形螺旋贴片17。
图9为本实施例的天线在2.45GHz时第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线的电场分布图,从图9中可以看出天线在2.45GHz时,电场在第一矩形螺旋贴片17上均匀分布,最大值出现在x-和y-坐标上,激励贴片下方接地平面4上的电场分布大于激励贴片另一侧。当激励第一矩形螺旋贴片17时电场几乎不会耦合到第二矩形螺旋贴片18。证实了辐射器的高隔离度。
图10是本实施例天线在频率1.47GHz皮肤组织中的辐射方向图,图中E指电场,H指磁场,从图中可以看出本实施例的天线最大辐射增益为-43.7dB。
图11是本实施例天线在频率2.45GHz皮肤组织中的辐射方向图,图中E指电场,H指磁场,从图中可以看出本实施例的天线最大辐射增益为-33.1dB。
本发明提供的小型化自双工植入式天线,本发明提供的小型化自双工植入式天线,引入了第二馈电端口,采用双馈电端口馈电的方式,通过在地平面开槽增加两辐射单元的隔离度,使生物遥测功能和无线能量传输功能可同时并行工作,避免因无线能量传输功能运行时导致生物遥测功能不可用的情况发生;采用矩形螺旋结构有利于延长电流的有效路径,通过对缝隙的尺寸进行调节可对主频点进行控制;本发明尺寸较小,体积仅为9.774mm3,在生物遥测频段具有宽带宽、圆极化、全双工等优点。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种小型化自双工植入式天线,其特征在于,包括:介质基板、覆盖层,所述覆盖层位于所述介质基板顶部;
所述介质基板顶部印刷有辐射面,所述介质基板底部印刷有地平面,所述辐射面和地平面之间通过第一矩形螺旋贴片短路探针及第二矩形螺旋贴片短路探针连通,所述辐射面与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线及第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线相连;
所述辐射面包括第一矩形螺旋贴片及第二矩形螺旋贴片,所述第一矩形螺旋贴片设置在所述第二矩形螺旋贴片左边,两者互不接触,所述第一矩形螺旋贴片、第二矩形螺旋贴片通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,所述第一矩形螺旋贴片和第二矩形螺旋贴片自旋角相差180°。
2.根据权利要求1所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述第一矩形螺旋贴片上设置有第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点及第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点,所述第二矩形螺旋贴片上设置有第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点及第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点,所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述第一矩形螺旋贴片短路过孔焊点连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针,所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述第二矩形螺旋贴片短路过孔焊点连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针;
所述地平面上设置有地平面右半平面短路过孔焊点、地平面右半平面同轴馈电接地端口、地平面左半平面短路过孔焊点及地平面左半平面同轴馈电接地端口,所述地平面右半平面短路过孔焊点连接所述第二矩形螺旋贴片短路探针,所述地平面右半平面同轴馈电接地端口连接所述第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线,所述地平面左半平面短路过孔焊点连接所述第一矩形螺旋贴片短路探针,所述地平面左半平面同轴馈电接地端口连接所述第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线。
3.根据权利要求1所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述辐射面包括第一矩形螺旋贴片及第二矩形螺旋贴片,所述第一矩形螺旋贴片设置在所述第二矩形螺旋贴片左边,两者互不接触,所述第一矩形螺旋贴片、第二矩形螺旋贴片通过设置弯曲矩形缝隙形成弯折矩形螺旋结构且结构不同,所述第一矩形螺旋贴片和第二矩形螺旋贴片自旋角相差180°。
4.根据权利要求1所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述地平面设置有一条地平面矩形槽,所述矩形缝隙由后至前贯穿地平面,所述地平面矩形槽宽度为0.2mm。
5.根据权利要求2所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心探针及第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心探针半径均为0.2mm,第一矩形螺旋贴片短路探针及第二矩形螺旋贴片短路探针半径均为0.2mm。
6.根据权利要求3所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述第一矩形螺旋贴片从左到右设置有一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙,所述一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙在第一矩形螺旋贴片的宽度比为3:2:4,所述第二矩形螺旋贴片由后至前设置一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙,所述一号矩形缝隙、二号矩形缝隙、三号矩形缝隙在第二矩形螺旋贴片的宽度均为0.2mm。
7.根据权利要求3所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,在所述第一矩形螺旋贴片与第一矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线结合处的上部连接有一段第一阻抗匹配枝节,用于改善天线的阻抗匹配,所述第一阻抗匹配枝节宽度0.4mm;
在所述第二矩形螺旋贴片与第二矩形螺旋贴片同轴馈电探针中心线结合处的左部连接有一段第二阻抗匹配枝节,用于改善天线的阻抗匹配。阻抗匹配枝节宽度0.4mm,第二阻抗匹配枝节与所述第二矩形螺旋贴片呈90°夹角。
8.根据权利要求3所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述第一矩形螺旋贴片与第一矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接处在第一矩形螺旋贴片的内旋,所述第二矩形螺旋贴片与第二矩形螺旋贴片同轴馈电中心线焊点连接处在第二矩形螺旋贴片的外旋。
9.根据权利要求1所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述介质基板和覆盖层的材料为Rogers 6010材料,相对介电常数为10.2。
10.根据权利要求1所述的小型化自双工植入式天线,其特征在于,所述辐射层和地平面均为金属铜材料。
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