CN209232954U - 一种小型化宽频带柔性植入式天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化宽频带柔性植入式天线，包括介质基板、辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；介质基板一面上印刷有辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；辐射单元和微带馈线相连；微带馈线与介质基板底边相连；第一接地面和第二接地面分别位于微带馈线左右两侧，第一接地面与微带馈线的距离和第二接地面与微带馈线的距离相同；沿辐射单元的顶边向下从左至右依次开有第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽，辐射单元内部开有L型槽，辐射单元右下角开有第四矩形槽。该天线采用共面波导结构，辐射单元和接地面共面，接地面位于辐射单元下方，有效地降低了天线的厚度，使天线的体积进一步减小。

Description

一种小型化宽频带柔性植入式天线

技术领域

本实用新型属于天线领域，具体是一种小型化宽频带柔性植入式天线。

背景技术

进入21世纪，因为人口老龄化不断加剧，经济的快速发展和人们生活质量的显著提高，所以健康问题已经成为关注的重点。人们开始对医疗服务质量提出了更高的要求，移动医疗进入人们的视野，其中植入式设备在移动医疗中发挥着至关重要的作用，它不仅给患者提供更方便的医疗服务，同时提高医疗工作者诊断和治疗的工作效率，而植入式电子设备的关键在于如何实现体内信号与体外设备的交互，此时就凸显了植入式天线的重要性。目前，宽频带、小型化植入式天线已经成为了植入式设备研究热点。

早在1999年美国联邦通信委员会制定出植入式医疗频段，即为无限医疗服务(简称MICS)频段，其频率范围在402-405MHz。我国于2007年也将402-405MHz发布为生物医学遥测专用频段。当前无线医疗设备的研究也主要集中在该频段，同时也涉及工业、科学和医疗频段(简称ISM)的433.1-434.8MHz、868-868.6MHz、2.40-2.483GHz和5.725-5.850GHz和超宽带频率3.1GHz-10.6GHz。

就植入式天线而言，工作在ISM频段较为常见，相比于MICS和WMTS，其可利用频带更宽，具有较高的无线信道容量，所以近年来很多国家将5.8GHz的ISM频段用于生物遥测；就植入手段而言，可以通过手术放在需要监测的部位，也可以将天线弯曲制作成胶囊天线，进而提高天线的应用价值。例如F.J.Huang等人发表的文献《Rectenna Application ofMiniaturized Implantable Antenna Design for Triple-Band BiotelemetryCommunication》，文章中利用平面倒F结构的天线，设计出一款螺旋植入式天线，虽然长宽较小，但天线的层数达到了四层，厚度过大，整体尺寸为10mm×10mm×2.54mm；吴泽涛等人在发表的《用于移动医疗的植入式人体天线研究》中设计了一款宽频带植入式天线，利用微带天线和倒F天线相结合，加载短路探针增加带宽，但是增加了天线的厚度也提高加工难度。申请号为201520033739.2的文献公开了一种工作在MICS频段的分形可植入式天线，该天线采用4阶希尔伯特曲线结构，同时使用了差分馈电铜柱，结构复杂，加工难度大大增加，同时天线的带宽为372-449MHz，其带宽仅有77MHz，带宽太小，受人体组织的影响，可能会使天线的中心频率发生偏移，不在带宽内，天线的性能受到影响。因此设计出一种结构简单、尺寸小的宽频带超薄植入式天线具有重大的意义。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种小型化宽频带柔性植入式天线。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于该天线包括介质基板、辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；所述介质基板一面上印刷有辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；所述辐射单元和微带馈线相连；微带馈线与介质基板底边相连；辐射单元位于介质基板的顶部，微带馈线、第一接地面和第二接地面均位于辐射单元下方；第一接地面和第二接地面分别位于微带馈线左右两侧，第一接地面与微带馈线的距离和第二接地面与微带馈线的距离相同；

沿辐射单元的顶边向下从左至右依次开有第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽，辐射单元内部开有L型槽，辐射单元右下角开有第四矩形槽；第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽、L型槽和第四矩形槽之间均不连通。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

1、该天线采用共面波导结构，辐射单元和接地面共面，接地面位于辐射单元下方，同时位于微带馈线的两侧，有效地降低了天线的厚度，使天线的体积进一步减小。

2、通过缝隙加载技术在辐射单元的不同位置开不同的矩形槽和L型槽，设计出一种非对称的全新结构，使天线获得宽频带特性，天线的实际带宽为3.8-9.6GHz，相对带宽达到了100％，相对于其工作带宽5.725-5.850GHz，实现了宽频带，宽频带可以使中心频率稳定工作在带宽内，减少人体复杂组织环境对天线性能的影响，天线在中心频率的回波损耗达到了-24.7dB，同时整个带宽内天线的电压驻波比均小于2。

3、介质基板采用介电常数为3.5的聚酰亚胺柔性材料，其厚度为0.15mm，使得天线更易于弯曲而达到良好的植入效果。

4、本天线能应用于肌肉组织，介质基板采用具有生物兼容性的聚酰亚胺柔性材料，使天线更容易实现弯曲，同时能够避免辐射单元与人体组织直接接触对人体造成伤害。

5、本天线通过调整三个顶部的矩形槽、L型槽以及辐射单元右下角的矩形槽的尺寸大小来调谐天线的中心频率，同时通过缝隙加载的方法，实现天线的宽频带工作。

6、本天线结构简单，尺寸较小，易于加工，同时满足工程要求。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的正面结构示意图。(图中：1、介质基板；2、辐射单元；3、微带馈线；4、第一接地面；5、第二接地面)

图2是本实用新型实施例1的天线在频率5.8GHz肌肉组织中的回波损耗曲线图。

图3是本实用新型实施例1的天线在频率5.8GHz肌肉组织中的电压驻波比曲线图。

图4是本实用新型实施例1的天线在频率5.8GHz肌肉组织中的辐射方向图。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种小型化宽频带柔性植入式天线(简称天线，参见图1)，其特征在于该天线包括介质基板1、辐射单元2、微带馈线3、第一接地面4和第二接地面5；所述介质基板1一面上印刷有辐射单元2、微带馈线3、第一接地面4和第二接地面5；所述辐射单元2和微带馈线3相连；微带馈线3与介质基板1底边相连；第一接地面4和第二接地面5不相连，第一接地面4与辐射单元2和微带馈线3均不相连，第二接地面5与辐射单元2和微带馈线3均不相连；辐射单元2位于介质基板1的顶部，微带馈线3、第一接地面4和第二接地面5均位于辐射单元2下方；第一接地面4和第二接地面5分别位于微带馈线3左右两侧，第一接地面4和第二接地面5与微带馈线3的距离相同；

沿辐射单元2的顶边向下从左至右依次开有三个矩形槽(第一矩形槽21、第二矩形槽22和第三矩形槽23)，辐射单元2内部开有L型槽24，辐射单元2右下角切去一个矩形，形成第四矩形槽25；第一矩形槽21、第二矩形槽22、第三矩形槽23、L型槽24和第四矩形槽25之间均不连通；

优选地，第一矩形槽21、第二矩形槽22和第三矩形槽23尺寸不相同；第一矩形槽21:第二矩形槽22:第三矩形槽23的宽度之比为4：3：5，第一矩形槽21:第二矩形槽22:第三矩形槽23的长度之比为3：5：7；

优选地，L型槽24开在第一矩形槽21的下方，其宽度和第一矩形槽21的宽度相同；L型槽24由一个竖直方向的矩形和一个水平方向的矩形组成；

优选地，第四矩形槽25的长宽之比为2：1；

优选地，所述介质基板1的材料为具有生物兼容性的聚酰亚胺柔性材料，相对介电常数为3.5。

优选地，所述辐射单元2、微带馈线3、第一接地面4和第二接地面5均为矩形金属贴片；

优选地，微带馈线3的中线与辐射单元2的中线共线。

实施例1

本实施例中介质基板1的形状为长方体，所用的材料为具有生物兼容性的柔性材料聚酰亚胺，相对介电常数是3.5，介质基板1的尺寸是7.84mm×7mm×0.15mm。

辐射单元2是将一个4.5mm×6.5mm的矩形金属贴片放在距离介质基板1左边0.25mm处、距离介质基板1顶边0.25mm处。

沿辐射单元2的顶部向下从左至右依次切去三个大小不同的矩形槽，其中第一矩形槽21的尺寸为1.5mm×0.4mm，第二矩形槽22的尺寸2.5mm×0.3mm，第三矩形槽23的尺寸3.5mm×0.5mm；第一矩形槽21距辐射单元2左边1.2mm，距介质基板1顶边0.25mm；第二矩形槽22距离第一矩形槽21为1.2mm，距介质基板1顶边0.25mm；第三矩形槽23距离第二矩形槽22为1.2mm，距介质基板1顶边为0.25mm，距辐射单元2右边1.7mm。

L型槽24位于第一矩形槽21的正下方，间隔为0.25mm，距辐射单元2左边1.2mm，L型槽24由一个竖直方向的矩形和一个水平方向的矩形组成，竖直方向的矩形尺寸为2mm×0.4mm，水平方向的矩形尺寸为2.4mm×0.4mm；水平方向矩形距辐射单元2底边0.75mm。

辐射单元2右下角切去的第四矩形槽25尺寸为1mm×0.5mm，宽边在辐射单元2右边上切割，长边距离介质基板1顶边4.25mm；

微带馈线3的尺寸是3.5mm×0.5mm，其中线与辐射单元2的中线在同一条直线上，距离介质基板1左边3.25mm，同时与介质基板1底边相连。

所述第一接地面4和第二接地面5尺寸均为3.09mm×2mm，与微带馈线3之间的距离L均为0.16mm；与辐射单元2的间距为0.99mm。

先在辐射单元2顶部依次切去三个等长度增加的矩形槽，长度增加为1mm，其中心频率在6.05GHz；其次在辐射单元2右下角切去第四矩形槽25，使中心频率调谐至5.9GHz；最后开出L型槽24，天线的中心频率为5.8GHz。

图2为本实施例天线在频率5.8GHz肌肉组织中的回波损耗曲线，人体肌肉在5.8GHz的工作频点下的介电常数为49.54、电导率为4.04，从图2中可以看出天线在3.28-9.6GHz频段内回波损耗小于-10dB，实现了宽频带。天线工作在人体组织内，复杂的组织环境会造成天线的实际带宽减小或者偏移，使中心频率不在带宽内，进而影响天线性能，但是本天线实现了宽频带，带宽足够宽，能够有效避免天线的中心频率不在带宽内，使天线能够稳定工作在5.725-5.850GHz频段。

图3为本实施例天线在频率5.8GHz肌肉组织中的电压驻波比曲线，从图中可以看出在上述回波损耗小于-10dB的频段内天线的电压驻波比均小于2，满足工程要求。

图4是本实施例天线在频率5.8GHz肌肉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辐射方向图近似为偶极子(由两个单极子组成)辐射方向图，这说明该宽频带天线的辐射机理为单极子辐射机理，并且该天线具有良好的辐射特性，满足工程要求。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于该天线包括介质基板、辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；所述介质基板一面上印刷有辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面；所述辐射单元和微带馈线相连；微带馈线与介质基板底边相连；辐射单元位于介质基板的顶部，微带馈线、第一接地面和第二接地面均位于辐射单元下方；第一接地面和第二接地面分别位于微带馈线左右两侧，第一接地面与微带馈线的距离和第二接地面与微带馈线的距离相同；

沿辐射单元的顶边向下从左至右依次开有第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽，辐射单元内部开有L型槽，辐射单元右下角开有第四矩形槽；第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽、L型槽和第四矩形槽之间均不连通。

2.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽尺寸不相同；第一矩形槽:第二矩形槽:第三矩形槽的宽度之比为4：3：5，第一矩形槽:第二矩形槽:第三矩形槽的长度之比为3：5：7。

3.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于L型槽开在第一矩形槽的下方，其宽度和第一矩形槽的宽度相同；L型槽由一个竖直方向的矩形和一个水平方向的矩形组成。

4.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于第四矩形槽的长宽之比为2：1。

5.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于所述介质基板的材料为具有生物兼容性的聚酰亚胺柔性材料，相对介电常数为3.5。

6.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于所述辐射单元、微带馈线、第一接地面和第二接地面均为矩形金属贴片。

7.根据权利要求1所述的小型化宽频带柔性植入式天线，其特征在于微带馈线的中线与辐射单元的中线共线。