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CN108736126A - 柔性共形双频带胶囊天线 - Google Patents

柔性共形双频带胶囊天线 Download PDF

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CN108736126A CN201810425906.6A CN201810425906A CN108736126A CN 108736126 A CN108736126 A CN 108736126A CN 201810425906 A CN201810425906 A CN 201810425906A CN 108736126 A CN108736126 A CN 108736126A
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Abstract

本发明公开了一种柔性共形双频带胶囊天线，包括由柔性介质构成的空心胶囊，所述胶囊内壁附着有金属地板，所述金属地板开设有末端开路的槽线，且所述胶囊外壁设有呈弯折结构的馈线。本发明弥补了柔性的共形双频带胶囊天线的空缺，理论和仿真结果均表明本发明的有效性；天线在胶囊内部占据的空间小；辐射口径大。

Description

柔性共形双频带胶囊天线
技术领域
本发明涉及一种用于人体内外无线通信的胶囊式植入天线，尤其涉及一种柔性共形双频带胶囊天线。
背景技术
应用于人体内部的植入天线可以将监测到的人体内部数据实时传输至体表或体外，在健康医疗领域体现出巨大的应用价值和研究意义。由于植入设备的体积受限于人体这个特殊的应用环境，要求设备内的各类器件都尽可能的实现小型化，因此，本发明通过采用柔性介质研究共形的植入天线，使天线附着于设备壁上，从而尽可能减小其占用的空间。柔性天线的典型应用之一为无线胶囊内窥镜系统，其能让临床医生直接观测人体消化道内图像，其以便捷、无创、无痛、无交叉感染、不影响患者正常工作等优点，在消化道疾病诊断及治疗领域显示了重要的研究意义及应用价值。
不少文献研究了共形的胶囊天线，如2010年S.Yun等提出了在胶囊外壁构建一个宽带的环天线；2015年Y.X.Guo团队提出了胶囊内壁构建的宽带偶极子结构；直至最近，在2017年D.Nikolayev等提出了一个胶囊直径为7mm的小型化的胶囊天线，其中胶囊壁厚度为0.5mm，文中采用阶梯阻抗谐振技术将天线设计谐振在434MHz，随后将天线以共形形式依附在胶囊内壁以达到小型化效果。然而上述天线皆为单频段谐振的胶囊天线。此外，宽频带天线也受到了学者的研究，如2015年Rula S.Alrawashdeh等提出了一个超宽带的共形胶囊天线，引入互补的开口环谐振结构，工作频带覆盖MedRadio频段和多个ISM频段。
但是对于柔性的共形双频带胶囊天线还没有报道。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种柔性共形双频带胶囊天线，弥补了柔性共形双频带胶囊天线的空缺。
技术方案：本发明的柔性共形双频带胶囊天线，包括由柔性介质构成的空心胶囊，所述胶囊内壁附着有金属地板，所述金属地板开设有末端开路的槽线，且所述胶囊外壁设有呈弯折结构的馈线。
为使天线在胶囊内部占据极少的空间，采用柔性介质基板作为胶囊壁和天线介质基底。
其中，所述胶囊呈圆柱状，基于胶囊工作环境为人体内部的考虑，结合现有胶囊内窥镜尺寸，胶囊直径为9-12mm，优选10mm或11mm。
结合胶囊特殊环境，当柔性介质加工成圆柱状作为胶囊壁时，金属地板附着在柔性介质表面，与空气介质直接接触；馈线处于柔性介质外壁位置，与人体组织直接接触，能量通过馈线耦合进槽线形成辐射。
其中，所述槽线呈“q”字型。天线能量主要由槽线缝隙辐射出去。
馈线呈弯折状通过在有限面积内加长馈线长度，以延长电流路径，从而实现天线小型化效果。
其中，所述馈线末端设有连接馈线与金属地板的金属短路钉。金属短路钉位置位于槽线边沿以增强能量的耦合，从而得到更好的阻抗匹配，实现宽带性能。
所述柔性介质为生物相容性介质，优选聚酰亚胺、聚酰胺、聚四氟乙烯和聚醚醚酮中的一种或几种，其介电常数εr为3-3.3，优选3.15；厚度为0.1-0.14mm，优选0.12mm。
其中，所述馈线采用微带馈线，所述微带馈线端口阻抗为47-53Ω，优选50Ω。能量通过微带馈线耦合入地面槽线，微带馈线的长度和末端开路的“q”字形槽线长度共同决定了天线的谐振频点。
有益效果：1、本发明弥补了柔性的共形双频带胶囊天线的空缺，理论和仿真结果均表明本发明的有效性；2、天线在胶囊内部占据的空间小；3、辐射口径大；4、能够根据胶囊环境满足胶囊天线的特殊需求；5、弯折微带耦合馈电，更引进短路钉来增强能量耦合，以达到更好的阻抗匹配；6、采用槽线开路缝隙辐射，缝隙与馈线共同决定谐振频点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图及仿真环境图；
图2是本发明的平铺结构示意图；
图3是本发明加载“q”字形槽线的地板示意图；
图4是本发明的S参数仿真图。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本发明一实施例所述的柔性共形双频带胶囊天线，包括由柔性介质构成的空心胶囊1，胶囊1内壁附着有金属地板2，金属地板2开设有末端开路的槽线3，且胶囊1外壁设有呈弯折结构的馈线4，馈线4末端设有连接馈线4与金属地板2的金属短路钉5。
胶囊1呈直径为10mm的圆柱状，馈线4为端口阻抗50Ω的微带馈线。
其适用于人体环境，结合胶囊1特殊构造，将介电常数εr为3.15、厚度为0.12mm的柔性介质作为胶囊壁，形成圆柱结构。
金属地板2构建在胶囊1内壁，与胶囊1内部空气介质6直接接触；金属地板2上设“q”字形槽线3，槽线3各部分宽度一致，且末端开路。
微带馈线构建在胶囊1外壁，采用弯折结构，微带馈线与胶囊1外部人体组织7直接接触。
金属短路钉5位于微带馈线末端，连接微带馈线与金属地板2，金属短路钉5摆放位置靠近“q”字形槽线3边沿。
本发明的工作原理如下：
如图4所示为天线的仿真S参数图。本发明的天线具有很好的双频带性能，在MedRadio频段带宽达到16.1％，频带覆盖0.366到0.430GHz；在ISM频段带宽达到47％，频带覆盖0.756到1.22GHz。
仿真过程中，柔性介质围成的胶囊1直径为10mm，与现有胶囊1内窥镜尺寸一致；人体组织7用皮肤组织的介电系数和电导率设置，参数随频率不断变化；人体组织7尺寸设定为180mm×180mm×60mm(长×宽×高)以模拟人体胸腔；槽线3和微带馈线的长度决定了天线的谐振频点；金属短路钉5的摆放位置对阻抗匹配起决定性作用。

Claims (9)

1.一种柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：包括由柔性介质构成的空心胶囊(1)，所述胶囊(1)内壁附着有金属地板(2)，所述金属地板(2)开设有末端开路的槽线(3)，且所述胶囊(1)外壁设有呈弯折结构的馈线(4)。
2.根据权利要求1所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述馈线(4)末端设有连接馈线(4)与金属地板(2)的金属短路钉(5)。
3.根据权利要求1所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述胶囊(1)呈圆柱状。
4.根据权利要求1所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述胶囊(1)直径为9-12mm。
5.根据权利要求1所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述柔性介质为生物相容性介质。
6.根据权利要求5所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述柔性介质的介电常数εr为3-3.3，厚度为0.1-0.14mm。
7.根据权利要求1所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述槽线(3)呈“q”字型。
8.根据权利要求1或2所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述馈线(4)采用微带馈线。
9.根据权利要求8所述的柔性共形双频带胶囊天线，其特征在于：所述微带馈线端口阻抗为47-53Ω。
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