CN1851982B - 无线内窥镜胶囊微带天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线内窥镜的微波通信设备领域，其特征在于，该装置是安装在内径为1cm的无线内窥镜胶囊内的微带天线装置，它采用短路针技术，把辐射单元设计成弧形臂形式以实现小尺寸的微带天线，在采用低介质损耗的微波介质的同时，又通过提高介质厚度来补偿小尺寸微带天线较小的电学厚度，并提高天线的增益和效率；本微带天线是用双面印制板工艺制造的，自由空间中谐振频率为2.45Hz，略高于射频信号中心频率，阻抗带宽为100MHz，满足无线内窥镜胶囊的要求。

Description

无线内窥镜胶囊微带天线装置

技术领域

本发明属于无线内窥镜系统的微波通信设备领域。

背景技术

无线内窥镜系统涉及微波通信部分的主要性能指标和信道环境特征以及制造安装要求包括：

1.体内胶囊和体外便携式无线收发装置在某给定的频段(如2.4GHz)上采用某种给定的调制方式(如ASK)通信，为了达到每秒传输多帧胶囊内图像传感器所采集到的医学图像，数据码率通常要在2Mbps以上，天线必须满足可靠通信的需求。

2.为了便于吞服和排出人体外，无线内窥镜胶囊的尺寸需要尽量小，天线的尺寸由此受限。

3.胶囊外的便携式无线收发与数据传输装置是穿戴在患者身体上的，因此从胶囊内到体外装置的距离大约是在70cm内。收发端之间仅是人体的骨骼、肌肉、皮肤和其它各种组织，因此通信信道环境较好，存在干扰少，但电磁波的衰减较大。利用猪肉(厚7cm)模拟人体环境进行了通信信道的实测，如下表1测试结果。结果表明在ISM(工业、科研、医疗)频段的无线电波穿透人体的主要特点是衰减大。在916MHz时人体的组织带来的衰减大约在24dB，与文献中的结果基本相同，考虑频率为2.4GHz，如果加上自由空间带来的衰减，可以估算出从体内胶囊到体外的接收装置之间的衰减大约为72dB。为了能在给定发射功率和接收灵敏度下实现可靠通信，天线需要达到一定的实际增益，以保证信号在经过信道衰减后到达接收端仍然能满足正确解调的需要。

4.为了避免信号盲区，体外装置采用多天线方案(比如八天线)，因此胶囊内天线不要求是全向天线，允许有较强的方向性。

5.考虑到通信机制中具体调制方式的信号频谱带宽以及集成电路工艺偏差和其他效应带来的信号中心频率的偏移，胶囊内天线必须达到一定的阻抗带宽。

6.无线内窥镜胶囊内电路采用电池供电，其金属外壳会影响某些类型天线的特性；同时人体环境也会对天线特性产生一定影响。

7.考虑到成本问题，天线应当便于加工制造，而且工艺一致性尽量好。

表1ISM三个不同频率信号模拟穿透人体的信道衰减测试结果

芯片型号	频率MHz	接收灵敏度dBm	调制方式	码率Kbps	功率dBm	衰减dB
							XE1201	433	-109	CPFSK	64	-15、-5、2、5	19±4

芯片型号	频率MHz	接收灵敏度dBm	调制方式	码率Kbps	功率dBm	衰减dB
							TR1100	916	-87	ASK	1000	0，-5，-10	21±1
nRF2401	2402	-90	GFSK	1000	0、-5、-10、-20	32±2

发明内容

根据无线内窥镜系统特点尤其是体内胶囊具体信道和物理环境特征可以知道，胶囊内天线主要需要满足尺寸小、实际增益高两大要求，同时要达到一定的阻抗带宽，并能在给定的人体和胶囊环境内达到特性指标要求。目前在一些研制中或已经产品化的无线内窥镜系统胶囊内采用的螺旋天线不能很好地在特定环境中达到较高的特性一致，而且制造也不是很方便。微带天线具有外形小、重量轻、制作简单、成本低以及安装方便等优点，而且其自身的金属地结构的屏蔽作用自动排除了胶囊内电池等金属物质对天线特性的影响，适合于无线内窥镜系统胶囊内的应用。因此，本发明提出了一种无线内窥镜胶囊内的微带天线装置。

本发明的特征在于：该装置是一种阻抗带宽BW＝100MHz、中心工作频率f_C＝2.4GHz且能够安装在内直径为1cm的无线内窥镜胶囊内的天线装置；位于所述无线内窥镜胶囊内的无线收发装置和该无线内窥镜胶囊微带天线装置通过所述微带天线装置上的馈电通孔传送射频信号；所述无线内窥镜胶囊微带天线装置采用半径R_sub为5mm、厚度h为4mm、相对介电常数ε_r为3.5的圆形微波介质，基于常规双面印刷电路板工艺加工制造；所述圆形微波介质在距离圆心D_F＝1mm处有一个半径R_F＝0.65mm的馈电通孔，该圆形微波介质的一面覆有厚度t_m＝35um的金属，并有一个以所述馈电通孔的圆心为圆心、半径R_gnd为2mm的圆形缺口；该圆形微波介质的另一面覆有厚度t_m也为35um的金属辐射单元图样，该图样由以介质圆心为圆心的弧形臂和沿所述圆形微波介质的径向方向连接馈电通孔以及弧形臂一端的微带线组 成，所述弧形臂内半径R_i＝3.3mm，外半径R_o＝4.3mm，自弧形臂与所述微带线相交处到该弧形臂末端的弧度θ为5.88弧度，所述微带线宽度W＝2mm；在所述弧形臂和所述微带线相交处中心有一个半径R_S＝0.5mm的短路通孔，该短路通孔的圆心与所述圆形微波介质圆心的距离为D_S＝(R_o+R_i)/2；该短路通孔使得所述弧形臂为四分之一波长谐振结构，其谐振频率f_R为：其中c为真空中光速，L_eff为所述弧形臂有效长度L_eff＝D_Sθ，ε_eff为有效介电常数，该f_R＝2.45GHz。

本发明利用微带天线外形小、重量轻、制作简单、成本低以及安装方便等特征，尤其是其自身的金属地结构的屏蔽作用自动排除了胶囊内电池等金属物质对天线特性的影响，本发明设计了适用于无线内窥镜胶囊的微带天线，并可基于普通双面印刷电路板制造工艺生产.在具体设计上，利用接地过孔使天线呈四分之一波长结构，同时将辐射单元设计成弧形臂的形式，以缩小天线尺寸来满足在胶囊内可靠安装的需要.实测结果表明特性符合无线内窥镜系统要求.

附图说明

图1无线内窥镜胶囊微带天线结构图；

图1(a)天线正面；

图1(b)天线背面；

图2天线端口特性实测结果(采用Agilent 8753ES RF矢量网络分析仪测试)；

图3天线辐射方向图。

具体实施方式

一.微型化方案选择

近年来普遍采用的几种减小微带天线尺寸的方法有：

a)采用高介电常数介质。但是高介电常数对天线带宽和增益有不利影响。

b)延长贴片表面电流路径，从而提高天线的电学尺寸。这包括在接地面边缘开缝或内部开槽、采用U型贴片或折叠贴片、褶皱型贴片等方法。为了保证天线的其他特性，通常贴片图样的线宽不能太低，同时考虑到天线增益、带宽与天线有效体积的正相关性，开缝或开槽的数量和大小都受到限制。而U型贴片、折叠贴片、褶皱型贴片等方法则由于其空间立体结构，使得制作复杂，工艺要求高。

c)采用边缘短路技术。其基本原理是利用垂直短路金属贴片或细针将辐射贴片某处(通常为边缘)接地，使得天线以一种类似于1/4波长的结构工作，从而天线贴片尺寸能够减半。

考虑到制作方便以及天线性能指标要求，本发明采用短路针技术实现小尺寸微带天线的设计，采用半径为R_sub(受无线内窥镜胶囊内径限制)、厚度为h、相对介电常数为ε_r的微波介质，基于普通双面印刷电路板工艺制造，介质上覆盖的金属厚度为t_m。天线结构如图1所示：天线贴片图样的弧形臂外半径为R_o(＜10mm)，内半径为R_i；距离圆心D_F处用半径为R_F的馈针馈入能量；在圆心与馈针连线的延长线上，与圆心距离D_S＝(R_o+R_i)/2处引入半径为R_S的短路通孔，将天线贴片与背面的地相连；馈针到弧形臂之间以宽度为W的微带线相连；从短路通孔圆心到弧形臂开路端口的弧线所对应的弧度为θ；天线背面覆盖金属作为地，并且有一个以馈电通孔为圆心半径为R_gnd的圆形缺口，用来隔离信号和地。

从图1可知，短路通孔的引入使得弧形臂为四分之一波长谐振结构，因而该天线在自由空间的谐振频率f_R为：

$f_R=\frac{c}{4L_{\mathrm{eff}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(1\right)$

其中c为真空中光速，L_eff为所述弧形臂有效长度：

L_eff＝D_Sθ   (2)

ε_eff为在所述微波介质上宽度为(R_o-R_i)的弧形臂对应的有效介电常数。

考虑到人体内环境对天线端口阻抗的影响，天线在自由空间谐振频率f_R的设计指标应当比无线内窥镜系统方案中射频信号中心频率f_C略高。

二.基于阻抗带宽和增益考虑的介质选择

微带天线存在着阻抗带宽窄和辐射效率低(从而影响增益)两个先天不足。在提高带宽方面，通常有以下一些方法：

a)提高介质板的厚度，补偿小尺寸微带天线较小的电学厚度。如文献所讨论的那样，对于圆形贴片微带天线，随着介质厚度的增加，谐振频率下降，带宽增加，输入阻抗增加。但是介质厚度不宜过高，否则天线输入阻抗将呈纯感性，不再有谐振点。

b)采用片上电阻负载。其实质是为电路提供一个有损负载元件，从而降低谐振回路的品质因数，这个方法在提高带宽的同时，会对效率造成较大的负面影响。

c)在接地面边缘开缝或内部开槽，降低微带天线的品质因数，该方法在增加阻抗带宽的同时，还能提高天线效率。此方法的效果受天线本身尺寸大小的限制。

由于无线内窥镜胶囊尺寸受限，在提高带宽方面，本发明采用了第一种方法。可以根据无线内窥镜系统方案对带宽的具体要求来确定介质厚度h。

影响微带天线效率的两个主要因素为表面波和微带线衰减。表面波以TE(横向电场)或TM(横向磁场)波的形式，将馈入到天线的一部分能量传播到微带贴片之外的介质中，并沿天线平面的法向很快衰减。文献指出，当介质厚度满足h＜0.02λ_g(λ_g为介质中的电磁波波长)时，表面波的影响可以忽略。对于通常的无线内窥镜胶囊内微带天线尺寸，该条件能被满足，因此主要考虑微带线衰减对微带天线效率的影响。

微带衰减由导体衰减和介质衰减构成。相应的衰减系数α由下式决定：

α＝α_C+α_D   (3)

式中，介质衰减系数α_D和导体衰减系数α_C近似为：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{\mathrm{\πf}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}{c}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}-1){\mathrm{\ϵ}}_r}{({\mathrm{\ϵ}}_r-1){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}\tan \mathrm{\δ}---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}_C=\frac{R\left(f\right)}{Z_0}---\left(5\right)$

其中tanδ是介质损耗角正切，Z₀为天线弧形臂微带线的特性阻抗。而不同频率下传输线单位长度电阻R(f)为：

$R\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{DC}}=\frac{1}{{\mathrm{Wt\σ}}_C}& (f\≤f_{\mathrm{skin}})\\ R_{\mathrm{skin}}=\frac{1}{2(W+t-2{\mathrm{\δ}}_C){\mathrm{\δ}}_C{\mathrm{\σ}}_C}& (f\≥f_{\mathrm{skin}})\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，W为微带线宽度，t为微带线厚度，σ_C为微带线金属电导率，δ_C为集肤深度，f_skin为集肤深度等于导体半厚度时的频率：

$f_{\mathrm{skin}}=\frac{4}{{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\σ}}_C{t}^2}---\left(7\right)$

根据式(3)～(7)计算可以得到：采用低介质损耗的微波介质代替一般印制版介质是提高天线效率和增益的关键；而对于给定种类介质，适当增加介质厚度有助于改善天线效率和增益。

无线内窥镜系统方案中采用2.4GHz中心频率，胶囊内径10mm.胶囊内微带天线在自由空间中谐振频率设计指标取2.45GHz，阻抗带宽指标取100MHz.作为对比验证，先取R_o＝5mm，R_i＝3mm，W＝2mm，R_F＝0.65mm，D_F＝1mm，R_S＝0.5mm，D_S＝4mm，依次取θ为4.09、4.26、4.44、4.61，选用边长2cm的正方形FR4介质(h＝1.6mm，ε_r＝4.4，tanδ＝0.02)，表2给出了天线特性的实测结果。可以看出：弧形臂有效长度影响天线谐振频率，而且由公式(1)计算得到的天线谐振频率与实测结果吻合；由于介质厚度较低，因此阻抗带宽较窄；由于采用普通介质，损耗较大，因此天线增益较小。

表2选用边长2cm的正方形FR4介质(h＝1.6mm，ε_r＝4.4，tanδ＝0.02)制作的四组天线特性实测结果

No.	θ/rad	f<sub>R计算</sub>(MHz)	f<sub>R实测</sub>(MHz)	BW<sub>实测</sub>(MHz)	Gain(dBi)
						1	4.09	2550	2551	40	-10
2	4.26	2449	2446	40	-10
						3	4.44	2349	2360	40	-10
4	4.61	2263	2289	40	-10

为了实现满足系统指标的天线，选用微波介质F4BK335制作，其参数为：半径R_sub＝5mm，厚度h＝4mm，相对介电常数ε_r＝3.5，介质损耗角正切tanδ＝0.001。天线图样参数为：D_F＝1mm，R_F＝0.65mm，R_S＝0.5mm，W＝2mm，θ＝5.88rad，R_gnd＝2mm，取不同的弧形臂内外径R_i和R_o，实测得到天线特性如表3所示：

表3采用F4BK335微波介质(R_sub＝5mm，h＝4mm，ε_r＝3.5，tanδ＝0.001)制作的五组天线特性实测结果

No.	R<sub>o</sub>(mm)	R<sub>i</sub>(mm)	f<sub>R</sub>(MHz)	BW(MHz)	Gain(dBi)
						5	4.1	3.1	2635	124	0
6	4.2	3.2	2534	113	0
						7	4.3	3.3	2449	104	0
8	4.4	3.4	2420	90	0
						9	4.5	3.5	2385	84	0

由表3数据同样可以看出弧形臂有效长度的变化对天线谐振频率的影响。此外，由于提高介质厚度，因此阻抗带宽随之增加；由于选用低损耗的微波介质，增益得到提高。图2给出了7号天线的端口特性测试结果(采用Agilent 8753ES RF矢量网络分析仪测试)，其谐振频率为2.45GHz，谐振点反射损失-16dB，阻抗带宽104MHz。图3为其辐射方向图，在θ＝111°、φ＝348°方向上，天线增益达到最大值，约为-0.17dBi。

Claims (1)

1.无线内窥镜胶囊微带天线装置，其特征在于：该装置是一种阻抗带宽BW＝100MHz、中心工作频率f_C＝2.4GHz且能够安装在内直径为1cm的无线内窥镜胶囊内的天线装置；位于所述无线内窥镜胶囊内的无线收发装置和该无线内窥镜胶囊微带天线装置通过所述微带天线装置上的馈电通孔传送射频信号；所述无线内窥镜胶囊微带天线装置采用半径R_sub为5mm、厚度h为4mm、相对介电常数ε_r为3.5的圆形微波介质，基于常规双面印刷电路板工艺加工制造；所述圆形微波介质在距离圆心D_F＝1mm处有一个半径R_F＝0.65mm的馈电通孔，该圆形微波介质的一面覆有厚度t_m＝35um的金属，并有一个以所述馈电通孔的圆心为圆心、半径R_gnd为2mm的圆形缺口；该圆形微波介质的另一面覆有厚度t_m也为35um的金属辐射单元图样，该图样由以介质圆心为圆心的弧形臂和沿所述圆形微波介质的径向方向连接馈电通孔以及弧形臂一端的微带线组成，所述弧形臂内半径R_i＝3.3mm，外半径R_o＝4.3mm，自弧形臂与所述微带线相交处到该弧形臂末端的弧度θ为5.88弧度，所述微带线宽度W＝2mm；在所述弧形臂和所述微带线相交处中心有一个半径R_S＝0.5mm的短路通孔，该短路通孔的圆心与所述圆形微波介质圆心的距离为D_S＝(R_o+R_i)/2；该短路通孔使得所述弧形臂为四分之一波长谐振结构，其谐振频率f_R为：其中c为真空中光速，L_eff为所述弧形臂有效长度L_eff＝D_Sθ，ε_eff为有效介电常数，该f_R＝2.45GHz。

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