CN209487702U - 用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，天线的各层辐射单元和地板的材质均为覆铜石墨烯薄膜，覆铜石墨烯薄膜材质具有较高的载流子密度，能够增加摄入式天线的工作带宽和增益。石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)与石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)通过四个短路探针相连接，形成复合螺旋结构，从而产生圆极化特性，在抑制多径干扰的同时减少误码率。石墨烯钩形组合结构辐射贴片的钩形组合结构可以降低天线的谐振频率，同时增加天线的阻抗带宽。天线的体积仅为π×(4.5)2mm3，具有频带宽、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特点，适用于ISM 2.4GHz频段，能满足摄入复杂环境后的工作要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及胶囊内窥镜装置摄入式天线技术领域，具体涉及用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，适用于ISM 2.4GHz频段的圆极化摄入式胶囊内窥镜装置。
背景技术
随着智能生物医学技术的飞速发展，胶囊内窥镜也逐渐从传统的有线方式转变为无线方式，胶囊内窥镜的智能化与小型化已经成为当前研究的热点。对比传统内窥镜，无线内窥镜能够通过体外基站实现图像传输速率2Mbps以上的实时数据传输，实现对消化系统和胃肠道系统的成像检测，不仅有利于为医生提供精确快速的诊疗数据，而且也大大减轻了患者的痛苦。无线胶囊内窥镜装置通常包括摄像头、光源、电池、收发装置、天线等，无线胶囊内窥镜设计过程中通常需要考虑系统功耗、传输距离、工作频率、图像帧数、图像分辨率、电池容量、整体尺寸等。天线是无线胶囊内窥镜装置的核心器件，天线的性能直接影响图像数据传输的准确性和实时性。为获取高分辨率图像诊断病变位置，需要提高数据传输的帧速率来提高诊断的准确性，同时也要考虑胶囊内窥镜被摄入后在不同环境下的工作性能，这就需要天线具有较宽的带宽和较强的抗干扰能力，设计宽带、圆极化、小型化的天线能够很好的满足上述要求，圆极化天线可以抑制胶囊在不同消化器官内部环境和运动产生的极化失配。共形天线主要是将天线附着在胶囊外表面上，成为胶囊外表面的一部分，用弯曲环形结构可以实现天线的小型化，共形天线可以减少对胶囊内部体积的使用，提高系统集成度，同时提高增益和辐射效率，但共形天线没有完整的地板，与其它设备之间的抗干扰性能和电磁兼容能力较其它类型天线较弱。非专利文献1设计了一种用于胶囊内窥镜装置的圆极化天线，该天线与胶囊外壁共形，形成自封装结构，提高了天线的辐射效率和增益，该共形天线具有完整的地板，在胶囊内部区域形成屏蔽层，提高了抗干扰和电磁兼容性能，但该天线设计调试较为复杂。将天线设计在胶囊内部能够避免天线与人体组织的接触，防止收到组织液的腐蚀。螺旋天线具有带宽宽、容易实现圆极化等特性，但常规的螺旋天线体积较大。非专利文献2设计一种新型螺旋天线，通过多层开口环结合金属过孔连接实现平面螺旋天线结构，通过调节开口环角度和半径来改善天线的圆极化性能，但该天线的体积仍然较大。复合型天线是通过胶囊表面的共形天线与胶囊内部的天线组合而成，可以统统是实现线极化与圆极化特性，但该类天线的缺点是设计加工较为复杂。非专利文献3设计了一款由胶囊表面共形偏馈偶极子和胶囊内部倒螺旋结构组合而成的天线，胶囊表面共形偏馈偶极子通过调节臂长改善阻抗匹配，共形偏馈偶极子天线呈圆极化特性，倒螺旋结构天线通过调节螺旋结构半径和螺旋结构高度来调节阻抗匹配，倒螺旋结构天线呈线极化特性。石墨烯材料的导电性能是普通材料的50倍，石墨烯具有的蜂窝结构能够产生较高的载流子密度，使其导电性能优良，在印刷天线中使用石墨烯材料能够大大提升天线效能，实现高效动态调节、高透明度、提升传输效率并降低损耗，满足摄入式无线通信系统对天线的微型化需求，同时也能大大增加通信距离。国内外学者对石墨烯材料在天线领域的研究主要集中在太赫兹天线、方向图可重构天线、滤波天线、柔性天线、可穿戴天线，对石墨烯在摄入式天线的研究相对较少。
引用文献列表
非专利文献1：杨贤涛，植入式医疗设备的圆极化天线研究，华南理工大学硕士学位论文， 2017:62-74.
非专利文献2：刘昌荣，植入式天线在生物医疗中的应用研究，电子科技大学博士学位论文，2015:64-76.
非专利文献3：Rajagopalan H.,Rahmat-Samii Y..Wireless medical telemetrycharacterization for in-gestible capsule antenna designs.IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2012, 11(4):1679–1682.
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，该天线具有频带宽、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特性，易于集成到无线胶囊内窥镜装置中，适用于ISM 2.4GHz频段，能满足摄入复杂环境后的工作要求。
本实用新型的技术方案是：用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，由上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)、上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7)、同轴接头(8)、左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)构成，所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7) 材质均为覆铜石墨烯薄膜，覆铜石墨烯薄膜材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加摄入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗；其特征在于：
a.所述的上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)分别位于天线的上层、中层和下层；
b.所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)位于上层介质基板(1)的上表面，上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)由两个S形组合而成，S形是通过上下两个缺口圆环组合而成，其中的一个S形是另一个S形通过中心轴旋转90度而得到，采用双S组合结构能够有效增加电流路径，缩小天线尺寸满足小型化需求，在两个S形组合结构中间增加一个圆形调节阻抗匹配，在S形的顶端设置四个圆环，用于连接短路探针，保证上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)之间连接稳定可靠；
c.所述的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)位于中层介质基板(2)的上表面，双S 组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，在双S组合结构中心圆上开一圆孔，用于连接同轴接头(8)的内芯；
d.所述的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)位于下层介质基板(3)的上表面，下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)由四个缺口圆环贴片、中心圆环贴片和连接导带组合而成，中心圆环贴片通过连接导带与四个缺口圆环贴片相连接，形成钩形组合结构，中心圆环贴片的圆孔用于连接同轴接头(8)的内芯，下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的钩形组合结构可以降低天线的谐振频率，进一步缩小天线的尺寸，同时增加天线的阻抗带宽，调节下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的尺寸可以进一步优化天线的圆极化纯度；
e.所述的石墨烯地板(7)位于下层介质基板(3)下表面，石墨烯地板(7)采用完整的圆形结构，在无线内窥镜胶囊内部形成屏蔽层，能够有效避免天线对胶囊内部其它电子器件产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能；
f.所述的同轴接头(8)位于下层介质基板(3)下表面下侧，同轴接头(8)内芯与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)和下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的中心圆孔相连接，同轴接头(8)外圆柱导体与石墨烯地板(7)的中心相连接；
g.所述的左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)位于上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5) 之间，中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)通过 S形的顶端设置四个圆环与左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)的上端和下端相连接，形成复合螺旋结构，从而产生圆极化特性，在抑制多径干扰的同时减少误码率。
所述的覆铜石墨烯薄膜厚度为0.01mm～0.03mm，上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)的半径R1为4mm～5mm。
所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)缺口圆环的外径R3为2.1mm～2.4mm，内径 R4为1.8mm～2.0mm，缺口的高度L1为2.0mm～2.5mm，S形顶端设置的四个圆环的外径R7为 0.25mm～0.35mm，内径R8为0.15mm～0.25mm。
所述的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，双S组合结构中心圆的圆孔半径R6为0.25mm～0.35mm，S形顶端设置的四个圆环圆心到中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)中心的距离R5为1.9mm～2.1mm。
所述的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的四个缺口圆环外径R10为1.3mm～1.5mm，内径R9为1.0mm～1.2mm，缺口高度L2为0.7mm～1.1mm，缺口圆环与中心圆环之间的连接导带的宽W1为0.4mm～0.7mm，长L3为0.4mm～0.6mm，中心圆环外径R11为0.7mm～0.9mm。
所述的圆极化摄入式天线外表面镀一层生物相容材料聚醚醚酮，厚度为0.04mm，介电常数εr为3.2，损耗正切tanδ为0.01，实现圆极化摄入式天线与人体的生物相容性，防止圆极化摄入式天线与人体消化器官直接接触而产生短路、腐蚀或排异等问题。
本实用新型的效果在于：本实用新型设计了一种用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，天线的各层辐射单元和地板的材质均为覆铜石墨烯薄膜，覆铜石墨烯薄膜材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加摄入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗。上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)采用双S组合结构能够有效增加电流路径，缩小天线尺寸满足小型化需求。上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)通过四个短路探针相连接，形成复合螺旋结构，从而产生圆极化特性，在抑制多径干扰的同时减少误码率。石墨烯钩形组合结构辐射贴片的钩形组合结构可以降低天线的谐振频率，进一步缩小天线的尺寸，同时增加天线的阻抗带宽，调节石墨烯钩形组合结构辐射贴片的尺寸可以进一步优化天线的圆极化纯度。石墨烯地板采用完整的圆形结构，在无线内窥镜胶囊内部形成屏蔽层，能够有效避免天线对胶囊内部其它电子器件产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能。该圆极化摄入式天线为三层平面组合结构，天线的体积仅为π×(4.5)2mm3，具有频带宽、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特点，适用于ISM 2.4GHz频段，能满足摄入复杂环境后的工作要求。
附图说明
图1是本实用新型实施例的三维结构示意图。
图2是本实用新型实施例的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)结构示意图。
图3是本实用新型实施例的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)结构示意图。
图4是本实用新型实施例的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)结构示意图。
图5是本实用新型实施例的侧面结构示意图。
图6是本实用新型实施例上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)缺口圆环的外径R3、内径 R4对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图7是本实用新型实施例下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的四个缺口圆环外径R10、内径R9对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。
图8是本实用新型实施例覆铜石墨烯薄膜厚度T对天线性能的影响。
图9是本实用新型实施例摄入人体不同消化器官对天线性能的影响。
图10圆极化摄入式天线摄入胃的增益和轴比曲线。
图11圆极化摄入式天线摄入小肠的增益和轴比曲线。
图12圆极化摄入式天线摄入结肠的增益和轴比曲线。
图13是本实用新型实施例仿真与实测阻抗带宽和轴比带宽曲线。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，由上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)、上层石墨烯双S 组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7)、同轴接头(8)、左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)构成，所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7)材质均为覆铜石墨烯薄膜，覆铜石墨烯薄膜材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加摄入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗；其特征在于：所述的上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)分别位于天线的上层、中层和下层；所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)位于上层介质基板(1)的上表面，上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)由两个S形组合而成，S形是通过上下两个缺口圆环组合而成，其中的一个S形是另一个S形通过中心轴旋转90度而得到，采用双S组合结构能够有效增加电流路径，缩小天线尺寸满足小型化需求，在两个S形组合结构中间增加一个圆形调节阻抗匹配，在S形的顶端设置四个圆环，用于连接短路探针，保证上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)之间连接稳定可靠；所述的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)位于中层介质基板(2)的上表面，双S组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，在双S组合结构中心圆上开一圆孔，用于连接同轴接头(8)的内芯；所述的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)位于下层介质基板(3)的上表面，下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)由四个缺口圆环贴片、中心圆环贴片和连接导带组合而成，中心圆环贴片通过连接导带与四个缺口圆环贴片相连接，形成钩形组合结构，中心圆环贴片的圆孔用于连接同轴接头(8)的内芯，下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的钩形组合结构可以降低天线的谐振频率，进一步缩小天线的尺寸，同时增加天线的阻抗带宽，调节下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的尺寸可以进一步优化天线的圆极化纯度；所述的石墨烯地板(7)位于下层介质基板(3)下表面，石墨烯地板(7)采用完整的圆形结构，在无线内窥镜胶囊内部形成屏蔽层，能够有效避免天线对胶囊内部其它电子器件产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能；所述的同轴接头(8)位于下层介质基板(3)下表面下侧，同轴接头(8)内芯与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)和下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的中心圆孔相连接，同轴接头(8)外圆柱导体与石墨烯地板(7)的中心相连接；所述的左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)位于上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)之间，中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)通过S形的顶端设置四个圆环与左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)的上端和下端相连接，形成复合螺旋结构，从而产生圆极化特性，在抑制多径干扰的同时减少误码率。
所述的覆铜石墨烯薄膜厚度为0.01mm～0.03mm，上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)的半径R1为4mm～5mm。
所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)缺口圆环的外径R3为2.1mm～2.4mm，内径 R4为1.8mm～2.0mm，缺口的高度L1为2.0mm～2.5mm，S形顶端设置的四个圆环的外径R7为 0.25mm～0.35mm，内径R8为0.15mm～0.25mm。
所述的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，双S组合结构中心圆的圆孔半径R6为0.25mm～0.35mm，S形顶端设置的四个圆环圆心到中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)中心的距离R5为1.9mm～2.1mm。
所述的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的四个缺口圆环外径R10为1.3mm～1.5mm，内径R9为1.0mm～1.2mm，缺口高度L2为0.7mm～1.1mm，缺口圆环与中心圆环之间的连接导带的宽W1为0.4mm～0.7mm，长L3为0.4mm～0.6mm，中心圆环外径R11为0.7mm～0.9mm。
所述的圆极化摄入式天线外表面镀一层生物相容材料聚醚醚酮，厚度为0.04mm，介电常数εr为3.2，损耗正切tanδ为0.01，实现圆极化摄入式天线与人体的生物相容性，防止圆极化摄入式天线与人体消化器官直接接触而产生短路、腐蚀或排异等问题。
实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择Rogers RO3210介质基板，介电常数εr＝10.2，损耗正切tanδ＝0.003，厚度H＝0.635mm，同轴接头采用标准SMA接头。圆极化摄入式天线的各层辐射单元和地板的材质均为覆铜石墨烯薄膜，覆铜石墨烯薄膜材质具有较高的载流子密度，使其导电性能优良，能够增加摄入式天线的工作带宽和增益，提升传输效率并降低损耗。覆铜石墨烯薄膜厚度为0.03mm，上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3) 的半径R1为4.5mm。上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)采用双S组合结构能够有效增加电流路径，缩小天线尺寸满足小型化需求。上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)通过四个短路探针相连接，形成复合螺旋结构，从而产生圆极化特性，在抑制多径干扰的同时减少误码率。上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)缺口圆环的外径R3为2.25mm，内径R4为1.9mm，缺口的高度L1为2.3mm，S形顶端设置的四个圆环的外径R7为0.3mm，内径R8为0.2mm。中层石墨烯双S 组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，双S组合结构中心圆的圆孔半径R6为0.3mm，S形顶端设置的四个圆环圆心到中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)中心的距离R5为2.08mm。石墨烯地板采用完整的圆形结构，在无线内窥镜胶囊内部形成屏蔽层，能够有效避免天线对胶囊内部其它电子器件产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能。石墨烯钩形组合结构辐射贴片的钩形组合结构可以降低天线的谐振频率，进一步缩小天线的尺寸，同时增加天线的阻抗带宽，调节石墨烯钩形组合结构辐射贴片的尺寸可以进一步优化天线的圆极化纯度。下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的四个缺口圆环外径R10为1.4mm，内径R9为1.05mm，缺口高度L2为0.85mm，缺口圆环与中心圆环之间的连接导带的宽W1为0.55mm，长L3为0.5mm，中心圆环外径R11为0.8mm。圆极化摄入式天线外表面镀一层生物相容材料聚醚醚酮，厚度为0.04mm，介电常数εr为3.2，损耗正切tanδ为0.01，实现圆极化摄入式天线与人体的生物相容性，防止圆极化摄入式天线与人体消化器官直接接触而产生短路、腐蚀或排异等问题。
选取上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)缺口圆环的外径R3、内径R4对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，如图6所示，分别选取R3＝2.15mm、R4＝1.8mm、R3＝2.25mm、R4＝1.9mm、 R3＝2.35mm、R4＝2.0mm这三种情况对天线性能进行分析，从图6中可以看出，随着缺口圆环的外径R3、内径R4的增加，圆极化摄入式天线的谐振频率向低频方向发生偏移，轴比性能最佳点也随着圆环尺寸的变化也对应的向低频移动，对天线的阻抗匹配影响较小，原因是圆环尺寸的增加引起复合螺旋结构电尺寸的增加，从而导致谐振频段向低频方向偏移，天线的轴比性能仍然较好。当R3＝2.25mm、R4＝1.9mm时，摄入式圆极化天线的阻抗带宽和轴比带宽都覆盖所需的ISM2.4GHz频段。
选取下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的四个缺口圆环外径R10、内径R9对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，如图7所示，分别选取R10＝1.3mm、R9＝0.95mm、R10＝1.4mm、R9＝1.05mm、 R10＝1.5mm、R9＝1.15mm这三种情况对天线性能进行分析，从图7中可以看出，随着缺口圆环外径R10、内径R9的增加，圆极化摄入式天线的谐振频率和轴比性能最佳点向低频方向发生偏移，谐振程度逐渐增加，原因是钩形组合结构辐射贴片的引入可以调节摄入式天线的阻抗匹配和极化纯度。当R10＝1.4mm、R9＝1.05mm时，摄入式圆极化天线的阻抗带宽和轴比带宽都覆盖所需的ISM2.4GHz频段。
选取覆铜石墨烯薄膜厚度T为0.02mm、0.03mm、0.04mm，分析覆铜石墨烯薄膜厚度对天线性能的影响如图8所示，从图中可以看出，随着覆铜石墨烯薄膜厚度的增加，圆极化摄入式天线谐振频率偏移量较小，谐振程度明显增大，说明圆极化摄入式天线的阻抗匹配得到明显改善。原因是随着覆铜石墨烯薄膜厚度增加，覆铜石墨烯薄膜的导电性能得到改善，从而使覆铜石墨烯薄膜的损耗降低，圆极化摄入式天线的阻抗匹配也得到优化。选取覆铜石墨烯薄膜的厚度T为0.03mm时，圆极化摄入式天线的性能满足ISM2.4GHz频段的工作需求。
胶囊内窥镜装置的应用，决定了摄入式圆极化天线将被摄入到不同的人体消化器官中，为分析圆极化摄入式天线的摄入位置和环境对天线阻抗带宽的影响，使用CST人体高精度模型，将设计的天线摄入到不同人体消化器官中，分别将圆极化摄入式天线摄入到胃、小肠和结肠中进行对比和测试，圆极化摄入式天线摄入不同消化器官对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响如图9所示，圆极化摄入式天线在胃、小肠和结肠中距体表的距离分别为21mm、32mm、 48mm，圆极化摄入式天线在三种摄入位置中均具有较宽的阻抗带宽和良好的阻抗匹配，谐振频率向高频方向发生偏移，但阻抗带宽和轴比带宽仍能覆盖所需的工作频段，主要是胃的介电常数εr为65.02，小肠的介电常数εr为57.86，结肠的介电常数εr为53.92，三种消化器官的介电常数逐渐降低，从而引起谐振频率向高频方向偏移。
对圆极化摄入式天线不同摄入位置的辐射特性进行分析，圆极化摄入式天线摄入胃、小肠和结肠的增益和轴比曲线分别如图10、11、12所示，从图中可以看出，圆极化摄入式天线摄入胃后最大增益和最佳轴比角度为-45度，圆极化摄入式天线摄入小肠后最大增益和最佳轴比角度为-18度，圆极化摄入式天线摄入结肠后最大增益和最佳轴比角度为22度，圆极化摄入式天线在胃、小肠、结肠位置的最大增益分别为-22.8dBic、-28.6dBic和-35.2dBic，圆极化摄入式天线的最大增益逐渐降低，主要原因是不同摄入深度影响电磁能量的损耗，不同消化组织引起不同的介质损耗。对应三个位置的轴比分别为2.8dB、3.9dB和5.2dB，极化纯度存在不同程度的恶化，原因是人体组织模型变化较大造成的，对组织模型进一步优化可以改善轴比性能。
对圆极化摄入式天线安全性能进行综合分析，通过设置圆极化摄入式天线输入功率为 1W，对人体平均SAR值分布进行分析，经仿真计算，圆极化摄入式天线在胃、小肠和结肠位置的最大1-/10-gSAR值142.3/23.2W/kg、172.3/32.8W/kg、125.3/24.6W/kg，经计算可以得出，为符合FCC及IEEE对SAR值的安全标准，摄入式天线最大允许输入功率为9.2mW、47.8mW，圆极化摄入式天线正常工作下的电磁辐射对人体消化组织是安全无害的。
将圆极化摄入式天线放置在模拟人体消化组织环境中，使用矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽，通过体外天线配合的间接方式测试天线的轴比带宽，阻抗带宽和轴比带宽的仿真结果与测试结果如图13所示，摄入式天线的仿真阻抗带宽为2.31GHz～2.58GHz，谐振频率为 2.45GHz，仿真轴比带宽为2.35GHz～2.49GHz，实测阻抗带宽为2.16GHz～2.42GHz，谐振频率为2.28GHz，实测轴比带宽为2.17GHz～2.38GHz，轴比带宽能够覆盖工作频率，实测与仿真结果一致性良好，圆极化摄入式天线工作带宽较宽，工作频带内阻抗特性和轴比特性良好。谐振频率和轴比带宽中心向低频方向发生一定偏移，发生频率偏移主要是模拟人体消化环境和加工测试误差所导致。
Claims (3)
1.用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，由上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)、上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7)、同轴接头(8)、左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)构成，所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)、中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)、下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)、石墨烯地板(7)材质均为覆铜石墨烯薄膜；其特征在于：
a.所述的上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)分别位于天线的上层、中层和下层；
b.所述的上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)位于上层介质基板(1)的上表面，上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)由两个S形组合而成，S形是通过上下两个缺口圆环组合而成，其中的一个S形是另一个S形通过中心轴旋转90度而得到，在S形的顶端设置四个圆环，用于连接短路探针，保证上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)之间连接稳定可靠；
c.所述的中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)位于中层介质基板(2)的上表面，中层双S组合结构辐射贴片(5)的整体结构尺寸与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)保持一致，在双S组合结构中心圆上开一圆孔，用于连接同轴接头(8)的内芯；
d.所述的下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)位于下层介质基板(3)的上表面，下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)由四个缺口圆环贴片、中心圆环贴片和连接导带组合而成，中心圆环贴片通过连接导带与四个缺口圆环贴片相连接，形成钩形组合结构，中心圆环贴片的圆孔用于连接同轴接头(8)的内芯；
e.所述的石墨烯地板(7)位于下层介质基板(3)下表面，石墨烯地板(7)采用完整的圆形结构，在无线内窥镜胶囊内部形成屏蔽层；
f.所述的同轴接头(8)位于下层介质基板(3)下表面下侧，同轴接头(8)内芯与中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)和下层石墨烯钩形组合结构辐射贴片(6)的中心圆孔相连接，同轴接头(8)外圆柱导体与石墨烯地板(7)的中心相连接；
g.所述的左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)位于上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)和中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)之间，中层石墨烯双S组合结构辐射贴片(5)与上层石墨烯双S组合结构辐射贴片(4)通过S形的顶端设置四个圆环与左侧短路探针(5-1)、上侧短路探针(5-2)、右侧短路探针(5-3)、下侧短路探针(5-4)的上端和下端相连接，形成复合螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，其特征在于所述的覆铜石墨烯薄膜厚度为0.01mm～0.03mm，上层介质基板(1)、中层介质基板(2)、下层介质基板(3)的半径R1为4mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的用于胶囊内窥镜装置的基于石墨烯的圆极化摄入式天线，其特征在于所述的圆极化摄入式天线外表面镀一层生物相容材料聚醚醚酮，厚度为0.04mm，介电常数εr为3.2，损耗正切tanδ为0.01。
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