反射面天线及其制作方法与流程

1.本发明涉及无线医疗器械的无线通信技术领域，尤其涉及一种反射面天线及其制作方法。


背景技术：

2.现代社会对于高端医疗技术的需求愈发迫切，其中无线医疗技术是众多医疗机构和科技公司关注的一项热门技术，无线医疗是指以计算机、可穿戴、物联网、无线通信和云计算等技术为依托，充分利用有限的医疗人力和设备资源，并发挥大医院的医疗技术优势，在疾病检测、监护等方面提供的信息化、移动化和远程化医疗服务。无线医疗技术可以用于调控人体神经、采集人体信息、无线心脏起搏器等，无线医疗大幅提升了治疗效率，同时提高了患者舒适度。
3.无线医疗中通常需要一对天线，分别是作为辐射器的体外天线和作为接收器的体内天线，体外天线发射出的能量穿过人体皮肤等组织后被体内天线接收。
4.为了便于佩戴，体外天线要求低剖面和较低的质量，现有的天线小型化技术主要是将天线平面化设计，或者设计超材料结构改变天线的电尺寸，例如，现有的医疗近场传能天线通常采用平面振子天线或者其变形的形式，但是振子天线的方向系数是沿切向绕行分布的，这意味着天线在前向(朝着人体的方向)和后向(人体的反方向)同时辐射能量，其后向的能量无法用于传能导致能量浪费和损失，另外由于人体皮肤的电导率较大，体外天线发出的能量有较多反射到空间中，造成能量的浪费。
5.因此，亟需一种具有收集和反射能力、提高的能量利用率以及强的天线传输性能的反射面天线。
6.上述对背景技术的陈述仅是为了方便对本发明技术方案(使用的技术手段、解决的技术问题以及产生的技术效果等方面)的深入理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该消息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种反射面天线及其制作方法，其可以将后向的大部分能量反射到前向，从而提高能量利用率，并且增强天线的传输性能。
8.根据本发明的一种实施方案，提供了一种反射面天线，其包括介质板、金属反射层、振子天线以及同轴馈电线，介质板具有抛物面表面和平面表面；金属反射层覆盖在介质板的抛物面表面上；振子天线贴装于介质板的平面表面上，并且包括一对偶极子辐射贴片；同轴馈电线与一对偶极子辐射贴片电连接。
9.优选地，所述一对偶极子辐射贴片包括形状大小相同且关于介质板的中心呈对称分布的第一偶极子辐射贴片和第二偶极子辐射贴片。
10.优选地，所述一对偶极子辐射贴片形成缝隙结构和枝节结构，所述缝隙结构与枝节结构分别关于介质板的中心对称。
11.优选地，所述同轴馈电线包括内芯和外壳，所述内芯通过焊接工艺与第一偶极子辐射贴片电连接，所述外壳通过焊接工艺与第二偶极子辐射贴片电连接，所述介质板的平面表面上设置有用于容纳同轴馈电线的馈电走线槽。
12.优选地，所述金属反射层的材料为铜，所述介质板的材料为罗杰斯板，并且介质板的相对介电常数为10.8，介质板的最大厚度为6.95mm。
13.根据本发明的另一实施方案，提供了一种反射面天线的制作方法，其包括：在介质板上形成抛物面表面和平面表面；在介质板的抛物面表面上覆盖金属反射层；在介质板的平面表面上贴装振子天线，所述振子天线包括一对偶极子辐射贴片，所述一对偶极子辐射贴片包括形状大小相同且关于介质板的中心呈对称分布的第一偶极子辐射贴片和第二偶极子辐射贴片；布置同轴馈电线，使得与第一偶极子辐射贴片和第二偶极子辐射贴片电连接。
14.优选地，在介质板的抛物面表面上覆盖金属反射层包括：利用电镀、胶粘、吸附中的一种方式在介质板的抛物面表面上覆盖金属反射层，所述金属反射层的材料为铜。
15.优选地，进一步包括：在介质板的平面表面上形成馈电走线槽，所述馈电走线槽用于容纳同轴馈电线；所述同轴馈电线包括内芯和外壳，通过焊接工艺使内芯与第一偶极子辐射贴片电连接，通过焊接工艺使外壳与第二偶极子辐射贴片电连接。
16.本发明采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本发明的反射面天线可以解决普通振子的能量沿径向辐射时一部分后向的能量辐射到空气中从而造成浪费的问题。本发明的反射面天线对偶极子加载金属反射面后，并通过对金属反射面的优化设计，可以将后向的大部分能量反射到前向，提高了能量利用率，增强了天线的传输性能。
17.此外，本发明利用的技术原理与传统反射面天线有明显差异，传统的反射面天线利用光学原理，位于抛物面焦点的馈源向抛物面发射电磁波，电磁波经反射后形成平行电磁波束，它是通过增加辐射口面尺寸来提高天线增益。而本发明的抛物面位于偶极子天线的近场区，偶极子天线也不在抛物面焦点，两者只存在耦合效应，不符合简单的光学反射原理。除此之外，本发明的抛物面的作用是收集后向能量并反射，进而增加前向传输效率。
附图说明
18.下文将结合附图对本发明的示例性实施例进行更为详细的说明。为清楚起见，不同附图中相同的部件以相同标记示出。需要说明的是，附图仅起到示意作用，其并不必然按照比例绘制。在这些附图中：
19.图1是根据本发明的实施方案的反射面天线的截面结构示意图。
20.图2是应用了根据本发明的实施方案的反射面天线的无线植入式神经刺激器的配置的框图。
21.图3是示出根据本发明的实施方案的振子天线的结构示意图。
22.图4是示出根据本发明的实施方案的同轴馈电线与一对偶极子辐射贴片电连接的结构示意图。
23.图5是示出图3所示的振子天线在坐标系中的示意图。
24.图6是根据本发明的实施方案的反射面天线的传输系数s21的仿真结果。
25.图7是与根据本发明的实施方案的反射面天线的反射系数s22的仿真结果。
26.图8是普通偶极子天线在近场区的电场强度的水平面和垂直面归一化仿真结果。
27.图9是根据本发明的实施方案的反射面天线在近场区的电场强度的水平面和垂直面归一化仿真结果。
28.图10是示出根据本发明的实施方案的反射面天线的制作方法的流程图。
具体实施方式
29.下面对本发明的实施方案作详细说明，本实施方案在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施方案。
30.图1是根据本发明的实施方案的反射面天线的截面结构示意图。如图1所示，根据本发明的实施方案的反射面天线可以包括介质板110、金属反射层120、振子天线130。介质板110具有抛物面表面111和平面表面112，金属反射层120覆盖在介质板的抛物面表面111上。振子天线130贴装于介质板的平面表面112上，并且与馈电线电连接。
31.根据本发明的实施方案，反射面天线可以用于无线植入式电子医疗器械，例如，无线植入式神经刺激器、无线心脏起搏器等。图2是应用了根据本发明的实施方案的反射面天线的无线植入式神经刺激器的配置的框图。如图2所示，与根据本发明的实施方案的反射面天线100配合使用的是体内天线200。优选地，为了便于植入和减小体积，体内天线200可以采用最基本的线状偶极子，例如，半波振子天线。相应地，反射面天线100作为体外发射信号的天线，体内天线200作为信号接收天线，实现在人体内外进行无线通信和能量传输。信号和能量在人体内经过一系列地传递之后，电极300受到驱动从而可以向患者的治疗部位施加刺激信号。
32.通常，作为体外发射信号的振子其能量沿径向辐射，会有一部分后向的能量辐射到空气中，造成浪费，而在加载金属反射面120之后，反射面天线100可以将后向的大部分能量反射到前向，提高了能量利用率，增强了天线的传输性能。
33.在下文中，将对反射面天线100的各个部件进行详细说明。
34.参照图1，介质板110具有抛物面表面111和平面表面112。优选地，介质板110的平面表面112为圆形形状的表面，其直径d在30mm至35mm之间，优选地为32.76mm。介质板110的最大厚度a在6mm至11mm之间，优选地为6.95mm。直径d与最大厚度a符合如下关系：a＝(d/2)2/j，其中j＝38.6。介质板110的抛物面表面111满足以下公式：z＝(x2+y2)/j，其中j＝38.6，x是介质平面的横轴，y是介质平面的纵轴，z轴与介质平面垂直。但本发明不限于此，介质板110的抛物面表面也可以利用其它曲面函数。以上参数的选取是在仿真软件高频结构模拟器(high frequency structure simulator，hfss)中，以传输系数s21最大为优化目标，天线的结构参数为变量，利用现有的遗传算法优化计算得出。
35.介质板110的材料可以选用罗杰斯板，优选地，介质板110可以为罗杰斯(ad)1000板材，并且介质板110的相对介电常数可以为10.8。
36.金属反射层120覆盖在介质板110的抛物面表面111上。优选地，金属反射层120非常薄，厚度可以忽略不计，并且其可以均匀地覆盖在介质板的抛物面表面111上，即，金属反射层120具有与介质板110的抛物面表面111相同的公式。基于此公式的金属反射层120的曲面函数设计可以将后向的大部分能量反射到前向。但本发明不限于此，金属反射层120可以
利用其它曲面函数。
37.此外，金属反射层120可以利用任何固体金属材料。优选地，金属反射层120的材料可以是铜。
38.图3是示出根据本发明的实施方案的振子天线的结构示意图。如图3所示，振子天线130贴装于介质板的平面表面112上，振子天线130包括一对偶极子辐射贴片131和132。
39.根据本发明的实施方案，与振子天线130电连接的馈电线可以是同轴馈电线。优选地，同轴馈电线可以选用50ω同轴线缆。具体地，同轴馈电线与一对偶极子辐射贴片131和132电连接。如图3所示，介质板110的平面表面112上可以设置有用于容纳同轴馈电线的馈电走线槽133。
40.图4是示出根据本发明的实施方案的同轴馈电线与一对偶极子辐射贴片电连接的结构示意图。同轴馈电线140包括内芯141和外壳142，内芯141嵌套于外壳142内。内芯141通过焊接工艺与第一偶极子辐射贴片131电连接，外壳142通过焊接工艺与第二偶极子辐射贴片131电连接。
41.焊接点可以位于偶极子辐射贴片131、132与介质板110之间。优选地，并且焊接点可以靠近第一偶极子辐射贴片131与第二偶极子辐射贴片132之间的中心位置。
42.如图3所示，根据本发明的实施方案，一对偶极子辐射贴片包括形状大小相同且关于介质板110的中心呈对称分布的第一偶极子辐射贴片131和第二偶极子辐射贴片132。
43.图5是示出图3所示的振子天线在坐标系中的示意图。以介质板的中心为原点(0，0)，介质板的直径d＝32.76。振子天线上各个点a至e、a'至e'的坐标如下：a(7.5，-2)、b(6.9，-10.65)、c(-6.9，-10.65)、d(-7.5，-2)、e(-6.5，0.6)、f(-0.5，0.6)、g(-0.5，-2)，a'(-7.5，2)、b'(-6.9，10.65)、c'(6.9，10.65)、d'(7.5，2)、e'(6.5，-0.6)、f'(0.5，-0.6)、g'(0.5，2)。
44.第一偶极子辐射贴片131和第二偶极子辐射贴片132形成缝隙结构134，相应地，缝隙结构134关于介质板的中心对称。
45.此外，第一偶极子辐射贴片131和第二偶极子辐射贴片132形成枝节结构135，相应地，枝节结构135关于介质板的中心对称。经调测后，可以将枝节长度(即，图5所示的e点的横坐标与d点的横坐标的差值)设置在-2.5mm至2.5mm之间。优选地，如图5所示，可以将枝节长度设置为-1mm。当枝节长度设置为-1mm时，天线的反射系数为-19.38db，这说明天线的驻波性能优良。
46.如上所述，偶极子辐射贴片131、132的形状依据使用场景进行了优化设计，并且可以利用仿真软件高频结构模拟器(hfss)进行仿真。在试验中使用新鲜猪肉，将体内天线埋入到猪肉脂肪层中，脂肪层深度约为5mm，将反射面天线放在体内天线的正上方，测量其s参数。
47.根据本发明的实施方案的反射面天线的工作频点为2.5ghz。图6是根据本发明的实施方案的反射面天线的传输系数s21的仿真结果。如图6所示，当频率为2.5ghz时，传输系数s21可以达到-7.19db。图7是与根据本发明的实施方案的反射面天线的反射系数s22的仿真结果。如图6和7所示，当频率等于2.5ghz，传输系数s21达到-7.19db的同时，反射面天线的反射系数小于-18.86db。
48.图8和图9分别是普通偶极子天线和本发明的反射面天线在近场区的电场强度的
水平面和垂直面归一化仿真结果。其中，中心频率设置为2.5ghz。如图8和图9所示，普通偶极子天线的后向场强较大，为-2.5db(参见图8的m1)，而反射面天线的后向场强只有-6.9db(参见图9的m1)，这意味着后向能量中的64％被金属反射层反射到前向。
49.可以利用矢量网络分析仪测量天线的s参数，得到如表1所示的根据本发明的实施方案测量得到的天线s参数与根据普通偶极子天线测量得到的s参数比较的结果。
50.表1
[0051][0052]
如表1所示，反射面天线的传输系数比普通偶极子天线的传输系数高2db，意味着传输效率高出60％，同时体内天线和体外天线的反射系数均小于-10db，满足一般偶极子天线的使用要求。
[0053]
图10是示出根据本发明的实施方案的反射面天线的制作方法的流程图。如图10所示，根据本发明的实施方案的反射面天线的制作方法包括：s100：在介质板上形成抛物面表面和平面表面；s200：在介质板的抛物面表面上覆盖金属反射层；s300：在介质板的平面表面上贴装振子天线。该振子天线包括一对偶极子辐射贴片。具体地，一对偶极子辐射贴片包括形状大小相同且关于介质板的中心呈对称分布的第一偶极子辐射贴片和第二偶极子辐射贴片；s400：布置同轴馈电线，使得与第一偶极子辐射贴片和第二偶极子辐射贴片电连接。
[0054]
在步骤s100，可以将三层现有的成品介质板厚度进行粘连压合，形成约6.95mm的厚的介质板。介质板可以为罗杰斯(ad)1000板材，并且介质板110的相对介电常数可以为10.8。之后，用铣床在压合后的介质板上铣出抛物面形状，并且在平面表面铣出馈电走线槽，该馈电走线槽用于容纳同轴馈电线。
[0055]
在步骤s200，金属反射层的材料可以为铜，可以利用电镀、胶粘、吸附中的一种方式在介质板的抛物面表面上覆盖金属反射层，优选地，用电镀的方法，在抛物面表面上镀一层铜。
[0056]
在步骤s300和步骤s400，同轴馈电线可以包括内芯和外壳，优选地，同轴馈电线可以为50ω同轴线缆。通过焊接工艺使内芯与第一偶极子辐射贴片电连接，通过焊接工艺使外壳与第二偶极子辐射贴片电连接。焊接点可以位于偶极子辐射贴片与介质板之间，因此，也可以将同轴馈电线与偶极子辐射贴片焊接后，再在介质板的平面表面上贴装偶极子辐射贴片。
[0057]
根据本发明的实施方案的反射面天线可以解决普通振子的能量沿径向辐射时一部分后向的能量辐射到空气中从而造成浪费的问题。根据本发明的实施方案的反射面天线对偶极子加载金属反射面后，并通过对金属反射面的优化设计，可以将后向的大部分能量反射到前向，提高了能量利用率，增强了天线的传输性能。
[0058]
此外，本发明利用的技术原理与传统反射面天线有明显差异，传统的反射面天线利用光学原理，位于抛物面焦点的馈源向抛物面发射电磁波，电磁波经反射后形成平行电磁波束，它是通过增加辐射口面尺寸来提高天线增益。而本发明的抛物面位于偶极子天线的近场区，偶极子天线也不在抛物面焦点，两者只存在耦合效应，不符合简单的光学反射原理。除此之外，本发明的抛物面的作用是收集后向能量并反射，进而增加前向传输效率。
[0059]
本发明的各种实施方案并非所有可能组合的穷举性列表，而是旨在描述本发明的代表性方面，并且以各种实施方案描述的内容可以独立地或以两种或更多种的组合来应用。
[0060]
以上示例性实施方案所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导作出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。