一种宽带共形圆极化天线及胶囊内窥镜

1.本实用新型涉及生物医学遥测领域，具体涉及一种宽带共形圆极化天线及胶囊内窥镜。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，植入式医疗器械被大量应用于现代医疗。可植入式胶囊天线用来将医疗设备在人体内采集到的数据图像传输到体外的接收设备中，天线的性能会直接影响到无线信息传输的质量。作为无线内窥镜系统的一个重要组成部分，胶囊天线发挥了不可替代的作用。
3.目前应用于胶囊内窥镜系统的天线设计中，较多采用的是线极化天线，而线极化天线通常会存在由胶囊在人体内运动造成的极化失配的问题。在实际应用中，天线的实际性能易受消化道器官的改变而产生频偏，带宽较窄的天线容易在实际应用中偏离所需工作频段。此外，一些设计也会存在占用胶囊内部空间较大的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种宽带共形圆极化天线及胶囊内窥镜，本实用新型工作在2.4g-2.48ghz ism频段。
5.本实用新型采用如下技术方案：
6.一种宽带共形圆极化天线，包括介质基板及同轴馈电结构，所述介质基板的一面设置上层贴片单元，其另一面设置下层贴片单元，所述上层贴片单元及下层贴片单元均包括一对交叉偶极子臂和矩形贴片，所述同轴馈电结构对上层贴片单元及下层贴片单元进行馈电。
7.进一步，上层贴片单元中，一对交叉偶极子臂通过一个四分之三开口圆环连接，开口圆环的圆心设置在介质基板的中心点，矩形贴片设置在四分之三开口圆环的下方。
8.进一步，下层贴片单元中，一对交叉偶极子臂通过一个四分之三开口圆环连接，矩形贴片设置在四分之三开口圆环的上方。
9.进一步，一对偶极子臂的交叉角度为90度，两个偶极子臂均为弯折的金属枝节。
10.进一步，所述弯折的金属枝节包括多个依次连接的水平枝节及竖直枝节，所述水平枝节的宽度与竖直枝节不同。
11.进一步，在四分之三开口圆环的圆心点开设通孔与同轴馈电结构连接。
12.进一步，偶极子臂的首端枝节包括宽枝节和窄枝节。
13.进一步，所述四分之三开口圆环的内径r1＝1.77mm和r2＝2.1mm。
14.进一步，所述介质基板为柔性材料，具体是圆柱形。
15.一种胶囊内窥镜，包括共形于胶囊外壳内壁的宽带共形圆极化天线。
16.本实用新型的有益效果：
17.(1)本实用新型以十字交叉偶极子天线为基础结构，蜿蜒曲折结构有利于延长电
流有效路径，减小天线尺寸；通过四分之三开口圆环和矩形贴片产生90度相位差，产生较好的圆极化特性，有效改善由胶囊在体内运动引发的位置不确定性所造成的极化失配问题，具有较强的抗干扰性；通过调节两个谐振模式使之相互靠近，达到了扩展天线带宽的效果。
18.(2)本实用新型通过将天线共形于胶囊内壁，有效节省胶囊设备的内部空间，有利于其他电子元器件的放置。
19.(3)胶囊外壳采用生物相容材料进行制作，减小人体的排异反应，同时胶囊外壳的绝缘性特性隔离了辐射贴片与具有导电性特性的生物组织接触；
附图说明
20.图1是本实用新型胶囊内窥镜的整体结构图；
21.图2是图1的纵向截面图；
22.图3是图1的横向截面图；
23.图4是本实用新型一种宽带共形圆极化天线的展开侧视图；
24.图5是本实用新型一种宽带共形圆极化天线的上层贴片单元的结构示意图；
25.图6是本实用新型一种宽带共形圆极化天线的下层贴片单元的结构示意图；
26.图7是本实用新型胶囊内窥镜在中心频率为2.45ghz时单层人体肌肉组织模型中的s参数和轴比曲线；
27.图8是本实用新型胶囊内窥镜在2.45ghz处单层人体肌肉组织模型中的增益方向图；
28.图9是本实用新型胶囊内窥镜在2.8ghz处单层人体肌肉组织模型中的增益方向图；
29.图10是本实用新型胶囊内窥镜在2.45ghz处单层人体肌肉组织模型中phi＝0
°
平面和phi＝90
°
平面的轴比波束宽度；
30.图11是本实用新型胶囊内窥镜在人体肌肉组织环境示意图。
具体实施方式
31.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。
32.实施例1
33.本实施例中的一面与另一面为相对面，一面具体为上表面，另一面为下表面。
34.如图1-图4所示，一种宽带共形圆极化天线，包括介质基板6及同轴馈电结构5，所述介质基板6为半柔性介质基板，具体圆柱形。所述介质基板的上表面设置上层贴片单元3，其下表面设置下层贴片单元4。
35.如图5所示，所述上层贴片单元包括一对交叉偶极子臂和一个矩形贴片7，两个偶极子臂交叉角度为90度，两个偶极子臂通过一个四分之三开口圆环8连接，两个偶极子臂的末端分别连接于开口的两端。圆环内径和外径的尺寸分别为r1＝1.77mm和r2＝2.1mm,圆环中心与介质基板的中心位置对应。所述矩形贴片7在偶极子臂的下方，其长度和宽度分别为l1＝10mm和w1＝4.8mm。
36.进一步，两个偶极子臂的结构相同，均为弯折的金属枝节，主要用于电流路径的延
长，用于尺寸上的小型化。所述弯折的金属枝节主要由依次垂直连接的水平枝节及竖直枝节构成。所述水平枝节与竖直枝节的宽度不同。
37.所述偶极子臂的末端枝节与开口圆环的一端开口连接，其首端枝节由两个宽度不同的枝节构成，具体为依次连接的宽枝节及窄枝节。
38.如图6所示，进一步，下层贴片单元与上层贴片单元的结构基本相同，包括一对交叉偶极子臂和一个矩形贴片9，其中交叉偶极子臂的结构尺寸与上层贴片单元完全一致，两个偶极子臂的交叉角度为90度，通过四分之三开口圆环连接，在圆环中心处通过同轴馈线结构与上层贴片单元相连。所述矩形贴片在四分之三开口圆环的上方，其长度和宽度分别为l2＝10mm和w2＝3.5mm。
39.所述两层贴片的单元的偶极子臂结构尺寸相同，矩形贴片的尺寸不同。矩形贴片用于调节中心频率处的轴比波束宽度，通过调节贴片尺寸获得主平面上的最佳波束宽度。
40.本实施例1的优选尺寸为：
41.金属枝节的整体宽度ga＝2mm,起始弯折位置处的枝节宽度为gb＝0.5mm,d3＝1.2mm，首端枝节的缝隙宽度为d4＝0.5mm，其缝隙是指宽枝节与窄枝节的宽度差。偶极子臂首端枝节整体长度为w3＝8mm,宽度为d1＝1mm,缝隙长度w4＝5.5mm,与缝隙相邻的金属枝节宽度为d2＝0.3mm。
42.进一步，同轴馈电结构由50ω同轴线构成，所述同轴线内芯半径为0.35mm。
43.所述介质基板为rogers 5880，其相对介电常数为2.2，电损耗角正切为0.0009，厚度为0.254mm。
44.介质基板具体为圆环柱，厚度为0.254mm,内外半径分别为4.746mm和5mm。
45.所述共形辐射单元分为上下贴片单元两个部分，两部分都各自包含一对交叉偶极子臂和一个矩形贴片。同一表面的偶极子臂由四分之一波导波长的相位延迟线相互连接，其形状为四分之三开口圆环，使得交叉偶极子四个相邻臂产生90
°
的相位差，从而产生圆极化特性。矩形贴片用以产生相位延迟的作用，进一步改善天线的圆极化性能。
46.实施例2
47.一种胶囊内窥镜，包括如实施例1所述的宽带共形圆极化天线，所述宽带共形圆极化天线2共形于胶囊外壳1的内壁，所述胶囊外壳1厚度为0.5mm，共形后的外半径为5mm,内半径为4.746mm。所述胶囊外壳1的材料为acrylic，其相对介电常数为3，电损耗角正切为0.001，厚度为0.5mm，内半径为5mm，总长度为26mm。
48.胶囊外壳1由生物相容性材料构成，能隔离人体组织和防胃酸腐蚀，作为胶囊天线以及内部电子元件的保护层
49.如图7所示，天线的-10db阻抗带宽为：2.31-3.41ghz，绝对带宽为1.1ghz，相对带宽为38.5％；3db圆极化带宽为2.36-3.45ghz，绝对带宽为1.09ghz，相对带宽为37.5％。两者均全部覆盖2.45ghz ism频段。
50.如图8、图9所示，在2.45ghz和2.8ghz时，天线在phi＝0
°
和phi＝90
°
两个平面的的右旋圆极化场分量要高于左旋圆极化场分量，证明天线为一个右旋圆极化天线。最大辐射方向朝向+z方向，即天线向体外辐射。天线在两个频率下的最大增益分别为为-28.6dbi和-28.5dbi。
51.如图10所示，天线在2.45ghz处，phi＝0
°
和phi＝90
°
两个平面上的轴比波束宽度
均大于110
°
。
52.如图11所示，天线工作在边长为100mm的人体肌肉组织方形模型的正中央，该肌肉模型在频率为2.45ghz时的相对介电常数εr＝52.73，电导率为σ＝1.74s/m。
53.该天线具有共形、带宽大、抗极化失配、占用胶囊内部体积小、生物相容性等优点。
54.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。