CN204947081U - 一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线 - Google Patents
一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，包括介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，天线辐射单元位于介质基板上表面，地板位于介质基板下表面，天线辐射单元由希尔伯特曲线构成，所述希尔伯特曲线由宽希尔伯特曲线及窄希尔伯特曲线构成，所述对称同轴具体包括左同轴及右同轴，所述左、右同轴位于窄希尔伯特曲线垂直中心线的两侧，关于介质基板垂直中心线对称。本实用新型能有效延长电流路径，使天线尺寸缩小。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物医学遥测领域，具体涉及一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线。
背景技术
随着生物医疗的快速发展，植入式医疗装置的需求与设计应用越来越广泛。一系列植入式装置如人造耳蜗、心脏起搏器、植入式视网膜等已经在临床医学中得到应用。在这些应用中，对于植入式射频装置与位于身体外的基站之间进行无线通信而言，天线是不可或缺的。联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission，FCC)已批准MICS(MedicalImplantCommunicationService)频段402-405MHz为植入式天线的工作频段。并且，2.4-2.5GHz的工业、科研、医疗(IndustrialScientificMedical，ISM)频段也可用于植入式医疗装置通信。然而，由于MICS频段的电磁波频率较低且植入人体空间受限，增加了天线小型化设计的难度；人体有耗组织会吸收电磁波，导致天线增益的减小。这些因素对植入式天线的设计带来挑战。
从以前的工作看，工作于MICS和ISM双频带、分形、差分馈电等技术可以应用于生物医疗邻域。这是由于采用如希尔伯特曲线、Koch曲线等分形曲线能够延长电流有效路径，从而降低工作频率，实现天线的小型化。此外，双频带使得植入式装置不仅能够利用MICS频带与体外基站进行医疗数据的无线传输，而且可利用ISM频带接收唤醒信号，这样当植入式设备闲置时，可处于休眠状态，接收到唤醒信号时再继续工作。这样，可以减小植入式装置的功耗，延长使用寿命。差分结构的采用消除了共模噪声的干扰，便于天线连接到射频电路输入/输出端口。
实用新型内容
为了克服现有生物医学遥测天线技术存在的不足，本实用新型提供一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线。
本实用新型采用如下技术方案：
一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，包括介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，所述天线辐射单元位于介质基板上表面，所述地板位于介质基板下表面，所述天线辐射单元由希尔伯特曲线构成，所述希尔伯特曲线由宽希尔伯特曲线及窄希尔伯特曲线构成，所述对称同轴包括左同轴及右同轴，所述左、右同轴位于窄的希尔伯特曲线垂直中心线的两侧，且关于介质基板垂直中心线对称。
所述希尔伯特曲线具体包括两条窄希尔伯特曲线及一条宽希尔伯特曲线，所述两条窄希尔伯特曲线位于介质基板的上方，所述宽希尔伯特曲线位于介质基板的下方，所述宽窄希尔伯特曲线的连接点关于介质基板垂直中心线对称。
所述希尔伯特曲线的阶数是四阶，所述宽希尔伯特曲线的宽度是0.4mm，窄希尔伯特曲线宽度是0.3mm，每条希尔伯特曲线的基本单元长度是1mm。
两条窄希尔伯特曲线的连接点距离是5.8mm。
所述地板为正方形，地板边长为9.4mm。
还包括生物相容性薄膜材料，其镀在整个天线的外表面。
本实用新型的有益效果：
本实用新型分形曲线的应用能有效延长电流路径，使天线尺寸缩小；双频带天线能节约设备的有限能量；差分结构能抑制共模信号，提高辐射效率，且利于连接射频集成电路输入输出端口。
附图说明
图1(a)～图1(b)分别是本实用新型一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线的俯视及侧视结构图。
图2是本实用新型一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线的仿真环境图。
图3是本实用新型一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线植入两种三层组织模型时的差分反射系数仿真图。
图4是当本实用新型一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线地板下分别覆盖RogersRO3210、理想导电体和空气时的差分反射系数仿真图。
图5是当本实用新型一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线地板植入人体手臂模型时的辐射增益方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1(a)～图1(b)所示，一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，包括介质基板1、天线辐射单元2、对称同轴及地板4，所述天线辐射单元位于介质基板上表面，所述地板位于介质基板下表面，所述天线辐射单元由希尔伯特曲线构成，所述天线分别在两种三层组织模型和人体手臂模型中进行仿真。
所述天线辐射单元2由希尔伯特曲线构成，所述希尔伯特曲线是四阶曲线，选用四阶的原因是考虑实际加工时宽度不可能无限小。所述希尔波特曲线由宽希尔伯特曲线3A及窄希尔伯特曲线3B构成，所述宽希尔波特曲线3A有一条，位于介质基板1的上表面的下方，所述窄希尔伯特曲线3B有两条，位于介质基板1的上表面的上方，所述宽、窄希尔伯特曲线的连接点是关于所述介质基板或地板垂直中心线对称，且所述两个连接点相对距离是l1＝5.8mm。
所述宽希尔伯特曲线的宽度是w1＝0.4mm，窄的希尔伯特曲线宽度是w2＝0.3mm，每个希尔伯特曲线基本单元的长度是w3＝1mm。
本实用新型采用希尔伯特分形曲线，是因为能最大限度的延长电流有效路径，空间利用率高，使设计天线尺寸减小。
所述对称同轴包括左同轴5A及右同轴5B，所述左、右同轴位于介质基板的上方，且位于窄的希尔伯特曲线垂直中心线的两侧，所述左、右同轴关于介质基板垂直中心线对称。所述对称同轴分别与天线对称馈电端口相连。
对称同轴的直径是d＝0.7mm。与对称同轴相连的两个馈电端口位于所述窄希尔伯特曲线一侧，其中与右同轴连接的端口与所述介质基板右边缘距离d1＝1.35mm，与介质基板的上边缘距离d2＝2.55mm。
所述介质基板选用RogersRo3210，边长为L＝9.4mm，厚度为h＝0.635mm，相对介电常数是10.2，损耗角正切是0.003。
所述正方形地板4保持完整，是所述正方形地板是用来减小在植入时电子元件对天线的性能产生的影响。而且地板未开槽是因为能提高反射效率，边长为L＝9.4mm。
所述介质基板是一层薄的介于辐射单元与地板的正方形基板。厚度远小于工作频点的四分之一波长。
所述三层组织模型有立方体和圆柱体两种，每层分别模拟体内的皮肤、脂肪和肌肉。
本实用新型还包括生物相容性薄膜材料，其镀在整个天线的外表面，所述该材料采用氧化铝，相对介电常数是2.95，正切损耗角是0.013，厚度是70μm。在天线表面镀一层生物相容性材料的目的是减小天线与人体组织间的电磁耦合，此外可以防止所述植入天线与人体组织间的接触。
如图2所示，当所述分形天线在外表面镀有一层生物相容性材料，并置于一种三层组织模型中时，在不同组织内的介电常数和导电率随频率变化不同。从图中可知，第一层为皮肤，第二层为脂肪，第三层为肌肉，厚度依次为4mm、4mm、50mm。在403MHz时，介电常数依次为46.7、11.6、57.9，导电率依次是0.69S/m、0.08S/m、0.82S/m，在2.44GHz时，介电常数依次为38.0S/m、10.8S/m、52.7S/m，导电率依次是1.46S/m、0.27S/m、1.73S/m。所述用于体内通信差分馈电双频带分形天线植入肌肉组织的深度dp＝5mm。所述天线外面镀一层厚度为70μm、材质为氧化铝的生物相容性材料，这样做是因为不仅可以减小天线与人体组织之间的电磁耦合，而且外表面镀膜可以防止所述植入天线与人体组织之间发生接触。
如图3所示，所述于天线在立方体和圆柱体两种人体组织模型中，差分反射系数均小于-10dB的频率范围分别为364-443MHz(79MHz)和2.33-2.55GHz(220MHz)。分别覆盖了MICS频带(402-405MHz)和ISM频带(2.4-2.48GHz)。
如图4所示，考虑到所述天线与紧贴于天线之下一些元器件植入人体，所以应考虑不同材料的元器件对天线性能的影响。在所述地板下覆盖一层导电材料，如介质基板(RogersRo3210)、理想导电体和空气等，对天线差分反射系数的影响。由图4可知，当不同材质的材料覆盖在地板下，尽管所述天线差分反射系数曲线发生偏移，但MICS和ISM两个频段依然被覆盖。
如图5所示，当所述天线植入人体手臂模型中时，所述天线在403MHz和2.44GHz时的辐射方向图。在频率是403MHz下的最大增益是-32.8dBi，在频率是2.44GHz下的最大增益是-34.3dBi。在403MHz比在2.44GHz的增益大，原因是随着频率的增加，人体对于电磁波的欧姆损耗也不断增加。
该天线采用希尔伯特分形曲线使电流有效路径延长，双频带天线可以降低植入式装置工作时的功耗；此外，差分馈电结构便于连接射频集成电路输入/输出。地板保持完整，可以降低集成电子元件对天线的性能产生的影响，并且能提高天线的反射效率。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，包括介质基板、天线辐射单元、对称同轴及地板，所述天线辐射单元位于介质基板上表面，所述地板位于介质基板下表面，所述天线辐射单元由希尔伯特曲线构成，所述希尔伯特曲线由宽希尔伯特曲线及窄希尔伯特曲线构成，所述对称同轴包括左同轴及右同轴，所述左、右同轴位于窄希尔伯特曲线垂直中心线的两侧，且关于介质基板垂直中心线对称。
2.根据权利要求1所述的一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，所述希尔伯特曲线具体包括两条窄希尔伯特曲线及一条宽希尔伯特曲线，所述两条窄希尔伯特曲线位于介质基板的上方，所述宽希尔伯特曲线位于介质基板的下方，所述宽窄希尔伯特曲线的连接点关于介质基板垂直中心线对称。
3.根据权利要求1所述的一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，所述希尔伯特曲线的阶数是四阶，所述宽希尔伯特曲线的宽度是0.4mm，窄希尔伯特曲线宽度是0.3mm，每条希尔伯特曲线的基本单元长度是1mm。
4.根据权利要求1所述的一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，两条窄希尔伯特曲线的连接点距离是5.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，所述地板为正方形，地板边长为9.4mm。
6.根据权利要求1所述的一种可植入人体的小型化差分馈电双频分形天线，其特征在于，还包括生物相容性薄膜材料，其镀在整个天线的外表面。
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