一种用于肩部理疗的可穿戴柔性微波天线的制作方法

[0001]
本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于肩部理疗的可穿戴柔性微波天线。


背景技术：

[0002]
随着人体中心通信技术的快速发展，基于人体中心网络的可穿戴通信系统是新兴的具有广泛应用前景的无线通信技术，穿戴式电子产品逐渐普及，具备柔性、可形变、易穿戴特点的新型天线成为无线体域网（wireless body area network，wban）中研究的热点之一。天线作为无线通信系统的必备部件，需能够穿戴于人体或衣物上，才能完全实现真正意义上的可穿戴式。微带天线在兼备天线性能的同时，还具备低剖面、易共形、体积小等优点，在可穿戴天线研究领域中具备重要的研究意义和广阔的应用前景。各种穿戴形式的天线在很多文献中均有报道，采用fr4作为基板用印刷电路方式制作的腰带式天线，可搭在肩上的pifa天线，集成于衣服背部的移动通信中的gsm天线。柔性可穿戴微带天线的介质材料一般为毛毡、棉布或者丝绸，辐射贴片和地板的材料一般为铜箔、金属织物。柔性可穿戴天线的形式有背部馈电的pifa天线，背部馈电的微带天线，cpw馈电的微带天线。在组成阵列时背部馈电的天线因馈电部分的天线的背后，降低了人体穿戴时的舒适性；cpw馈电的微带天线因其向后辐射较大，所以直接穿戴在人体时对人的辐射较大。
[0003]
肩部疼痛可能很多人都会想到肩周炎，其实很多疾病都会导致肩部疼痛。肩部疾病发病率最高的是肩袖损伤，其次是肩峰撞击综合症、肩关节不稳和肩周炎。经统计，肩袖损伤约占肩关节疾病的30%-40%。肩袖（从肩关节前、上和后面包裹肱骨头，加强肩关节稳定性的肌腱结构称为肩袖组织）损伤是一种十分常见的肩关节退行性病变，其发生与年龄成正相关，肩袖撕裂的症状与肩峰撞击综合症类似，但同时还伴有肩外展无力。典型症状是颈肩部夜间疼痛，手臂上举疼痛；有时不能患侧睡，甚至被痛醒；肩关节可在 外展、上举或后伸时无力，有时连上厕所也存在困难，严重影响患者的生活。
[0004]
肩峰撞击综合症是肩峰和肩峰下滑囊组织在肩关节外展、上举过程中与肩袖组织发生撞击和挤压，造成肩关节疼痛和上举功能障碍。肩峰撞击综合症约占肩关节疾病的20%。一般而言，年纪较大者和投掷运动员，发生撞击及肩袖病变的较多。由于反复的投掷动作可能会影响肩袖附着点，而此附着点先天就是血供较少，因此很容易发生断裂。随着患者肩膀疼痛逐渐加重，投掷或上举手臂时症状也随之加剧。其疼痛常放射到胳膊近端外侧和中段部位。若耽误治疗，患者可能会出现严重的肌肉萎缩，且夜不能寐；如任其发展，后期则可能导致肩关节重要肌腱断裂，严重影响患者的肢体功能和生活质量。
[0005]
肩关节不稳是由于外伤或关节结构退变，以及肩关节本身活动度大，稳定性相对较差，肩关节易发生脱位或半脱位。肩关节不稳约占肩关节疾病的10%。患肩会产生疼痛，活动障碍，功能受限，有的甚至会变得非常棘手。
[0006]
肩周炎是由于肩关节及其周围软组织病变而引起肩关节疼痛或活动受限，以肩关节肌肉、肌腱、韧带和关节囊等软组织发生充血水肿，形成的无菌性炎症，严重时可造成粘
连。患者往往自觉关节僵硬，胳膊向后、向外旋转活动度受限，使得日常生活受到影响，像被冻住一样，美国肩肘外科学会将其定义为粘连性肩关节囊炎。肩周炎占肩关节疾病的10%。
[0007]
以上四种疾病的发病率大约占肩关节疾病的80%甚至更多。除此之外，肩关节疾病还存在许多，如肩锁关节炎、肱二头肌腱炎、肩峰下滑囊炎、和钙化性岗上肌腱炎等。
[0008]
目前市场上电发热的保暖和保健的发热用品特别多，通过引用外加能源，将其转变为热能，达到主动辅助人体加热的目的，其采大都是采用碳纤维丝或金属发热丝黏合衬发热片，其特点是升温快，功能可定做，其热性能基于热传学原理，通过温度差，热量自发地从温度较高的物体向温度较低的物体上传递，热量传递的基本方式是通过热传导，即物体内部各个部分间没有发生相对位移或者不同物体相互接触时依靠自由电子、原子及分子等微观粒子的热运动而发生的热量传递的现象。电发热只能通过表面热传导，不能对人体深层组织进行加热。
[0009]
微波的热量传递的基本方式是通过热辐射，通过物体的表面看不见的电磁波来实现热量传递。微波是一种高频电磁场，微波疗法属于高频电疗法，具有良好的热效应和场力效应，穿透力强，作用可达2-8cm，可在人体内产生热量，微波的热效应可使组织升温，引起血管扩张，局部血液循环加速，血管壁渗透性增高，增强代谢，改善营养，促使组织再生和渗出液吸收。有镇痛、解痉、消炎作用，对肌肉、肌腱、韧带、关节等组织及周围神经和某些内脏器官炎症损伤和非化脓性炎症效果显著，从而达到了减轻水肿、消除炎症，镇痛和缓解肌紧张，恢复运动的功能。微波治疗能够改善组织循环，促进新陈代谢，促进炎性代谢物的排出和致痛物质的消除，从临床文献可以看出，用微波治疗配合康复体操等物理方法康复在治疗肩部疾病效果显著。目前微波用于理疗的临床用途很多，但用于穿戴式的微波治疗技术应用较少。


技术实现要素：

[0010]
本实用新型的目的在于提供一种用于肩部理疗的可穿戴柔性微波天线，采用柔性印刷电路板工艺设计的一种2.45ghz柔性微带天线，以织物为柔性基底制备的一种可灵活集成于衣物的柔性天线，用于对人体肩部疾病的辅助治疗。
[0011]
为实现上述目的，按照本实用新型提供的技术方案，所述一种用于肩部理疗的可穿戴柔性微波天线，包括柔性微波天线、微波接头和背心载体，所述背心载体设有微波接头和微波天线，所述微波接头插头端与微波理疗设备相连，另一端通过同轴电缆线与微波天线相连。
[0012]
所述柔性微波天线采用了共面波导馈电方式，包括矩形辐射贴片振子、馈电线、介质基板和接地板；所述矩形辐射贴片振子和接地板由金属贴片制成，分布在介质基板两面；所述矩形辐射贴片振子接收到馈电线传来的激励后，将在所述接地板和所述矩形辐射贴片振子之间产生辐射电磁场，并通过两者之间形成的隙缝向外辐射；所述矩形辐射贴片振子和所述馈电线是在所述介质基板上光刻形成的；
[0013]
所述矩形辐射贴片振子采用多贴片耦合方法，具体由共面微带贴片四振子组成，振子之间连接采用直接串馈连接贴片的方式，即将馈电线与天线直接进行结构上的连接，所述贴片振子采用70x36mm大小的振子；辐射贴片尺寸与谐振频率的关系可由下式计算得出：
[0014][0015]
式中，c是光速（电磁波的传播速度与光速相等），ξ
r
是介质的介电常数，
ƒ
是矩形微带天线的工作频率，w是矩形辐射贴片的宽度，λ
e
/2是天线贴片的长度尺寸，而λ
e
对应为导波在天线介质基板材料内的波长，即为：
[0016][0017]
所述馈电线用于串接所述矩形辐射贴片振子，馈电线与矩形辐射贴片振子良好匹配，即传输线特性阻抗等于天线输入阻抗，可以提高天线辐射效率，使天线获得最大功率，馈电线的宽度为3mm-6mm；
[0018]
所述介质基板采用非金属的高介电常数的柔性线路板，介电常数分布均匀，损耗较小，具有优良电气和机械特性可提升天线性能的稳定性，在所述矩形辐射贴片振子和接地板之间起到隔离的作用；
[0019]
所述接地板采用完整的金属平面，所述辐射贴片与接地板呈嵌入包围结构，可以改善接地板与辐射贴片之间的耦合，使天线辐射具有向所述矩形辐射贴片振子面向外辐射的定向性，从而增强矩形辐射贴片振子方向上的辐射能量，并抑制其他方向上的辐射能量；
[0020]
进一步地，所述柔性微波天线在信号输入端口采用同轴馈线馈电方式，输入功率设为5-20w之间，其厚度为0.1mm-0.3mm之间，输入馈电线左右两端设有10x10mm大小的耦合块，耦合块与输入馈电线缝隙为1mm-2mm，耦合块与矩形辐射贴片振子缝隙小于1mm，与5mm宽度的输入馈电线形成50欧姆标准同轴激励，与贴片振子具备良好的阻抗匹配，使天线驻波比小于1.5，从而决定输入信号馈入天线的质量；
[0021][0022]
式中，h为介质的厚度，z为馈线输入阻抗，l为微带馈电线宽度。
[0023]
进一步地，所述微波接头内芯与同轴电缆内导体相连，微波接头外部与同轴电缆外导体相连；所述同轴电缆的内导体连接到输入馈电线端，同轴电缆外导体连接到所述接地板。
[0024]
相较与现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
[0025]
1、本实用新型的天线采用共面波导的馈电方式，具有良好的共面性，热分布均匀，易于与载体共形，使天线容易集成化，易于加工，用此馈电方式也能减少天线后向辐射。
[0026]
2、本实用新型的天线采用超薄的高介电常数的柔性线路板，该天线体积小、结构简单、成本低，具有质轻、柔软、可弯曲特性，可覆盖在载体上，适用于穿戴。
[0027]
3、本实用新型的天线背面有导电面时，降低了天线背向辐射的方向，提高天线辐射的主波瓣增益，增大前后比，减小天线对人体的影响。
附图说明
[0028]
图1为本实用新型柔性微波天线的整体示意图。
[0029]
图2为本实用新型柔性微波天线部分俯视图。
[0030]
图3为本实用新型柔性微波天线部分侧视图。
[0031]
图4为本实用新型柔性微波天线矩形辐射贴片振子面结构示意图。
[0032]
图5为本实用新型柔性微波天线接地板面结构示意图。
[0033]
图6为本实用新型柔性微波天线辐射增益方向图。
具体实施方式
[0034]
以下参照附图对本实用新型作进一步详细描述。
[0035]
参照图1，本实用新型的一种用于肩部理疗的可穿戴柔性微波天线，包括柔性微波天线1、微波接头2和背心载体3，所述背心载体3设有微波接头2和柔性微波天线1，所述微波接头2插头端与微波理疗设备相连，另一端通过同轴电缆线4与柔性微波天线1相连。
[0036]
参照图2图3，本实用新型柔性微波天线包括矩形辐射贴片振子5、馈电线6、介质基板7和接地板8；所述矩形辐射贴片振子5和接地板8由金属贴片制成，分布在介质基板7两面；所述矩形辐射贴片振子5接收到馈电线6传来的激励后，将在所述接地板8和所述矩形辐射贴片振子5之间产生辐射电磁场，并通过两者之间形成的隙缝向外辐射；所述矩形辐射贴片振子5和所述馈电线6是在所述介质基板上光刻形成的；可以用传输线理论来对此部分矩形微带贴片天线进行分析。将天线的辐射贴片等效为一端传输线，传输线边长l的终端为开路，在此处电场会呈现电压波腹，电场强度最大。根据微带天线理论，天线辐射贴片的长度通常被设置为λ
m
/2,其中λ
m
是等效波长。因此，微带线边长l的另一端同样会呈现电压波腹状态，电场强度最大。为研究微带天线信号辐射的原理，可将上述两端开路的电场进行分解。分解成相互垂直的水平分量和垂直分量之后，可以发现两终端水平分量方向是相同的，如图2，因此二者的辐射作用是可以叠加的。但是两终端垂直方向分量是方向相反的，辐射作用相互抵消。这是因为贴片长度l是天线等效波长λ
m
的一半，根据电磁波传输原理，两个终端垂直分量方向会呈现相反的状态，如图3所述。
[0037]
参照图4图5，本实用新型中所述柔性微波天线矩形辐射贴片振子5采用多贴片耦合方法，具体由共面微带贴片四振子组成，振子之间连接采用直接串馈连接贴片的方式，即将馈电线6与矩形辐射贴片振子5直接进行结构上的连接，所述矩形辐射贴片振子5采用60x36mm大小的振子；这种由相同单元组成，位于一个规则的几个布局中，将若干辐射单元排列在空间中互相连接，产生特定的辐射特性，形成天线阵，所有辅助电路都能装配在同一块集成板上，并且低剖面，易共形；
[0038]
所述馈电线6用于串接所述矩形辐射贴片振子5，信号通过馈电线6对天线进行馈电，将信号输入天线，随后天线负责将信号以电磁波的形式进行辐射传播，馈电线6与矩形辐射贴片振子5良好匹配，即传输线特性阻抗等于天线输入阻抗，则信号反射较少，馈电效率会增高可以提高天线辐射效率，使天线获得最大功率；若阻抗失配，则信号反射严重；
[0039]
所述介质基板7采用非金属的高介电常数的柔性线路板，介电常数分布均匀，损耗较小，具有优良电气和机械特性可提升天线性能的稳定性，在所述矩形辐射贴片振子5和接地板8之间起到隔离的作用。
[0040]
图5所述接地板采用完整的金属平面，所述辐射贴片与接地板呈嵌入包围结构，可以改善接地板与辐射贴片之间的耦合，使天线辐射具有向所述矩形辐射贴片振子面向外辐
射的定向性，从而增强矩形辐射贴片振子方向上的辐射能量，并抑制其他方向上的辐射能量；
[0041]
所述柔性微波天线1在信号输入端口采用同轴馈线馈电方式，输入功率设为5-20w之间，其厚度为0.1mm-0.3mm之间，输入馈电线左右两端设有15x10mm大小的耦合块9，天线作为导体终端，在信号输入时也会表现出一定的阻抗，输入馈电线与5mm宽度的输入馈电线10形成50欧姆标准同轴激励，与贴片振子具备良好的阻抗匹配，使天线驻波比小于1.5，从而决定输入信号馈入天线的质量；
[0042]
所述微波接头2内芯与同轴电缆内导体11相连，微波接头2外部与同轴电缆外导体12相连；所述同轴电缆的内导体11连接到输入馈电线10端，同轴电缆外导体12连接到所述接地板8。
[0043]
参照图6，本实用新型中所述柔性微波天线的辐射方向图，用来描述天线辐射方向性，定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，0
º
方向为天线的法线方向，极径的单位为db，极角的单位为度。由图可见，在整个工作频段内，天线具有相当稳定的单向辐射特性，而且具有相对平坦的增益频率特性。
[0044]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。本实用新型专利的保护范围以所附权利要求为准。