CN214542524U - 一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线。共形于无线胶囊内窥系统中，所述植入式天线包括：柔性基板、接地板、辐射单元和馈电单元；接地板、辐射单元和馈电单元设置在柔性基板的一个平面上；接地板包括：地板和U型地板支节；辐射单元包括：辐射贴片和开口环形谐振器，开口环形谐振器为具有负磁导率性质的超材料结构单元，用于降低辐射单元的环路电感；辐射贴片为开槽辐射贴片，开口环形谐振器加载在开槽辐射贴片的槽中；开口环形谐振器等效为LC振荡电路；馈电单元与所述辐射贴片连接。采用本方法能够使得植入式天线适应于无线胶囊内窥系统中。

Description

一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线

技术领域

本申请涉及共面波导馈电平面单极子天线技术领域，特别是涉及一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线。

背景技术

随着植入式电子医疗的迅速发展，微型医用设备随之广泛推广开来。在医疗应用中，无线胶囊内镜(WCE)系统被引入来捕获消化道图像以检测人体组织生理状态，以此来判断人体的身体健康状况。天线是实现人体内部无线胶囊内窥镜系统与外界无线通信的重要部件。由于人体内部组织结构复杂，具有高介电常数、高损耗等特性，因此对天线的性能有严格的要求。另一方面由于胶囊系统小型化的需求，又不得不减少天线的体积。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种解决能够无线胶囊内窥镜系统中天线设计复杂问题的一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线。

一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线，共形于无线胶囊内窥系统中，所述植入式天线包括：

柔性基板、接地板、辐射单元和馈电单元；所述接地板、所述辐射单元和所述馈电单元设置在所述柔性基板的一个平面上；

所述接地板包括：地板和U型地板支节；

所述辐射单元包括：辐射贴片和开口环形谐振器；

所述辐射贴片为开槽辐射贴片，所述开口环形谐振器加载在开槽辐射贴片的槽中；所述开口环形谐振器等效为LC振荡电路；

所述馈电单元与所述辐射贴片连接。

上述一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线，通过柔性基板，一方面便于共形，另一方面柔性材料更能贴合人体组织表面，较好的适应于无线胶囊内窥系统的应用场景；然后，在接地板中引入了U型地板支节，可以增加天线的谐振点，提升天线的阻抗带宽，另外，将天线外层的U形接地面扩增大，有利于扩大天线接地面与环绕带之间电容耦合区域的面积，从而增加提高辐射面的电场强度；最后，在辐射单元中加载开口环形谐振器，降低了环路的电感大小，从而改善了天线的阻抗匹配特性。因此，开口环形谐振器一方面可以提升天线的阻抗匹配，改善天线的回波损耗，另一方面还可以提升天线的增益。

附图说明

图1为一个实施例中无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线的结构图；

图2为一个实施例中无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线参数示意图；

图3为一个实施例中天线植入皮肤组织的示意图；

图4为一个实施例中天线回波损耗示意图；

图5为一个实施例中天线在1.4GHz的二维方向图；

图6为一个实施例中天线在2.45GHz的二维方向图；

图7为一个实施例中天线在1-3.2GHz频段内的增益示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，其中，图1(a)为共形于无线胶囊内窥系统时的示意图，图1(b)为展开时植入式天线的结构图，具体的，以图1(b)所示进行具体说明，植入式天线包括：

柔性基板、接地板100、辐射单元200和馈电单元300；接地板100、辐射单元200和馈电单元300设置在柔性基板的一个平面上，接地板100包括：地板102和U型地板支节104；辐射单元200包括：辐射贴片202和开口环形谐振器204；辐射贴片202为开槽辐射贴片，开口环形谐振器204加载在开槽辐射贴片的槽中；开口环形谐振器204等效为LC振荡电路；馈电单元300与辐射贴片202连接。

上述一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线，通过柔性基板，一方面便于共形，另一方面柔性材料更能贴合人体组织表面，较好的适应于无线胶囊内窥系统的应用场景；然后，在接地板中引入了U型地板支节，可以增加天线的谐振点，提升天线的阻抗带宽，另外，将天线外层的U形接地面扩增大，有利于扩大天线接地面与环绕带之间电容耦合区域的面积，从而增加提高辐射面的电场强度；最后，在辐射单元中加载开口环形谐振器，降低了环路的电感大小，从而改善了天线的阻抗匹配特性。因此，开口环形谐振器一方面可以提升天线的阻抗匹配，改善天线的回波损耗，另一方面还可以提升天线的增益。

值得说明的是，本实用新型基于典型微带开槽天线开始，设计一款共面波导(CPW)馈电的平面天线，共面波导方式的辐射单元和馈电单元在同一平面上，即在介质基片的一个面上制作出中心导体带，易于和有源器件集成，易于实现宽频带和直连、感性耦合和容性耦合多种馈电方式。

另外在天线结构上，采用单层金属结构，主要由辐射面和介质基板构成。天线馈电采用共面波导馈电。共面波导馈电结构成本低，寄生参量小。

在其中一个实施例中，开口环形谐振器为具有负磁导率性质的超材料结构单元，用于降低所述辐射单元的环路电感。降低了环路的电感大小，从而改善了天线的阻抗匹配特性。天线加载开口环形谐振器结构一方面可以提升天线的阻抗匹配，改善天线的回波损耗，另一方面还可以提升天线的增益。

在其中一个实施例中，开口环形谐振器的开口矩形的开口环形谐振器。

在其中一个实施例中，馈电单元的上端连接辐射贴片，馈电单元的的下端延伸至于地板的下边缘的水平线。

在其中一个实施例中，开槽辐射贴片和开槽辐射贴片的槽均为矩形。

在其中一个实施例中，柔性基板的厚度为0.1mm，柔性基板的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，损耗角正切为0.0027。

具体以无线胶囊内窥系统的直径为6mm，频段范围为1.15-4.18GHz，最大增益的谐振点为2.45GHz，通过仿真技术对所述植入式天线的尺寸进行仿真，得到接地板的尺寸为18mm×10mm。最终尺寸图如图2所示。具体尺寸为：其中，L1＝18mm，L2＝8.25mm，L3＝0.5mm，L4＝6.8mm，L5＝11mm，L6＝5mm，L7＝7.7mm，L8＝3.8mm，W1＝10mm，W2＝5mm，W3＝2.5mm，W4＝3mm，W5＝3.5mm，W6＝0.4mm，W7＝4.5mm,GAP＝0.2mm，GAP2＝1mm。

由此可以知道，本实用新型根据无线胶囊内窥系统结构紧凑、工作环境复杂多样等特点，以共面波导馈电平面单极子天线为基础，设计的天线引入U型地板支节(UGB)、采用辐射贴片开槽和加载开口环谐振器(SSR)实现了天线的超宽带工作，覆盖了WMTS和ISM两个供植入式天线工作的频段，频段范围为1.15-4.18GHz。天线的体积为18mm³。考虑小型化和工作性能的问题，该实用新型可以在节省更多胶囊内窥系统空间同时，实现了天线工作于宽带宽和小型化。最终，天线的展开尺寸为18mm×10mm×0.1mm。

以下以具体的实验数据进行说明。

采用时域有限积分法对共形胶囊天线进行建模仿真。植入式天线在多层组织模型与单层模型下的谐振频率误差很小，故，在仿真中将所设计的天线放入到单层肌肉模型中简化仿真运算，单层皮肤组织模型的尺寸为100mm×100mm×50mm，植入深度为10mm。天线植入皮肤组织的示意图，如图3所示。

在天线设计与仿真优化基础上，进行了实际加工制作，天线实物和测试场景在300MHz～3GHz频段中，猪肉和鸡胸肉的介电特性与人体非常相似。为了验证仿真结果的正确性，该天线分别在猪肉和鸡胸肉中进行实物测试，测试仪器使用是德公司生产的E5063A矢量网络分析仪。测试过程中采用柔性50欧姆的同轴电缆连接天线的馈电端口和矢量网络分析仪(VNA)进行测量。

图4中，通过对折合蜿蜒路径的参数扫描优化，得到最佳天线的回波损耗。馈线和天线的阻抗匹配较好，能量的反射损耗较少。仿真和实测的S11结果基本吻合。虽然在不同的生物组织中测得所需工作频点都有所偏移，但是两个所需的工作频段都覆盖的相当好。除此之外，观察到测试频段比模拟频段更宽。除了加工工艺造成的实验误差之外，这些差异可能归于两个因素。首先，实测环境的影响以及猪肉和鸡胸肉的介电特性差异造成误差，其次，同轴线缆是焊接的，这对阻抗匹配有一定的影响。由于制作的限制，这些是难以避免的。实测S11总体效果良好。

图5为天线在1.4GHz的二维方向图，图6为天线在2.45GHz的二维方向图，图5、6中，植入式天线在辐射效率限制的情况下，天线的远场増益可以看作实现可靠通信所需的生物遥测灵敏度。对植入式天线来说，天线增益一般较低。天线的尺寸越小，电容效应越明显，能量辐射效率越低，产生的增益就低。为了増加生物遥测通信的范围，需要尽可能増加植入式天线的増益。图5、图6为双频植入式天线分别在谐振频率1.4GHz和2.45GHz时仿真所得到的方向图。在1.4GHz和2.45GHz处的最大增益分别为-29.2dBi和-23.9dBi。

天线的增益实际测量采用与标准增益喇叭进行比对的方法进行。分别在猪肉和鸡胸肉中进行测试。测试天线在1-3.2GHz频段内的最大增益结构如下图7所示。由于空气损耗、馈电损耗以及测试误差等因素，天线的增益略有变化。实际测量的增益与仿真增益基本上吻合。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种无线胶囊内窥系统的超宽带柔性植入式天线，其特征在于，共形于无线胶囊内窥系统中，所述植入式天线包括：

柔性基板、接地板、辐射单元和馈电单元；所述接地板、所述辐射单元和所述馈电单元设置在所述柔性基板的一个平面上；

所述接地板包括：地板和U型地板支节；

所述辐射单元包括：辐射贴片和开口环形谐振器；开口环形谐振器为具有负磁导率性质的超材料结构单元，用于降低所述辐射单元的环路电感；

所述辐射贴片为开槽辐射贴片，所述开口环形谐振器加载在开槽辐射贴片的槽中；所述开口环形谐振器等效为LC振荡电路；

所述馈电单元与所述辐射贴片连接。

2.根据权利要求1所述的植入式天线，其特征在于，所述开口环形谐振器的开口矩形的开口环形谐振器。

3.根据权利要求1所述的植入式天线，其特征在于，所述馈电单元的上端连接所述辐射贴片，所述馈电单元的下端延伸至于所述地板的下边缘的水平线。

4.根据权利要求1所述的植入式天线，其特征在于，所述开槽辐射贴片和所述开槽辐射贴片的槽均为矩形。

5.根据权利要求1至4任一项所述的植入式天线，其特征在于，所述柔性基板的厚度为0.1mm。

6.根据权利要求1至4任一项所述的植入式天线，其特征在于，所述柔性基板的材料为聚酰亚胺。

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