一种左右手圆极化可重构的植入式天线及植入式器件

1.本实用新型涉及生物医学遥测领域，具体涉及一种左右手圆极化可重构的植入式天线及植入式器件。


背景技术：

2.移动医疗是相较于传统医疗方式可以减轻患者的痛苦，减少成本，远程诊断，由于人体的运动及姿态变化等特性，所以在植入式器件中应用圆极化的优势在于可以对抗由于生物医学信号接收角度带来的极化失配现象。现阶段圆极化植入式天线仍然存在许多问题，其一是现今的圆极化植入式天线只考虑了单一的圆极化方式，减少了天线的适用范围，而且还可能会造成圆极化之间的失配；其二是圆极化植入式天线占用空间过大，会对使用者的身体造成影响。
3.目前的植入式天线设计中，大多都存在占用体积过大，存在极化失配，窄带宽的缺点，使得植入式器件无法适应在实际应用中的复杂环境。


技术实现要素：

4.为了解决移动医疗领域中植入天线中存在的缺点与不足，本实用新型提供一种左右手圆极化可重构的植入式天线及植入式器件，具有小型化、阻抗带宽大、抗极化失配、左旋圆极化和右旋圆极化可切换的工作在2.45ghz ism频段的可重构植入式天线。
5.本实用新型采用如下技术方案：
6.一种左右手圆极化可重构的植入式天线，包括下层介质基板和上层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置天线辐射单元，所述下层介质基板的下表面设置金属地板，所述上层介质基板覆盖于天线辐射单元上方，所述天线辐射单元被u形槽分割为两部分，所述u形槽的两臂设置开关二极管组，用于连接天线辐射单元的两部分。
7.进一步，所述天线辐射单元被u形槽分割为两部分，所述u形槽的两端设置在天线辐射单元的边缘，位于u形槽环绕部分为中心金属，其余部分为外围金属，所述中心金属设置焊盘与直流馈电结构连接。
8.进一步，所述天线辐射单元和金属地板通过金属通孔连接。
9.进一步，所述直流馈电结构包括第一电池、第二电池、第一开关、第二开关、第一射频隔离电感及第二射频隔离电感，所述第一电池的正极与第二电池的负极连接，两个电池之间设置第一开关，所述第一开关与第一射频隔离电感连接第一端口，第一电池的负极与第二电池的正极连接后与第二开关连接，所述第二开关与第二射频隔离电感连接后与第二端口连接，所述第一端口及第二端口分别与焊盘和金属地板连接。
10.进一步，所述u形槽由三条依次垂直的槽臂构成，所述u形槽中相互平行的臂上设置开关二极管。
11.进一步，所述开关二极管组包括三个开关二极管。
12.进一步，所述金属地板及天线辐射单元为矩形结构。
13.进一步，还包括同轴馈电结构，所述同轴馈电结构由50ω的同轴线构成，内芯通过下层介质基板连接天线辐射单元，其外芯位于下层介质基板。
14.一种实现所述植入式天线的可重构方法，包括：
15.当第一开关与第一电源连接时候，直流馈电结构第一端口相较于第二端口为正电位，u形槽的一侧臂开关二极管开通，外围金属电流通过导通二极管流入中心金属，实现左旋圆极化；
16.当第一开关与第二电源连接时候，直流馈电结构第一端口相较于第二端口为负电位，u形槽的另一侧臂开关二极管开通，外围金属流入中心金属的电流形成反向，改变了电流路径，实现右旋圆极化。
17.一种植入式器件，包括所述的植入式天线。
18.本实用新型的有益效果：
19.本实用新型结构可以实现阻抗带宽大、小型化、圆极化、抗极化失配的特点；
20.本实用新型加载了金属通孔，引入感性成分，实现小型化。
21.本实用新型在u形臂上设置两组二极管，通过直流馈电结构控制两组二极管的开关，实现左右圆极化，使得本实用新型具有双圆极化切换的特点；
22.本实用新型具有高增益的特点，最大增益为-23.9dbi，可靠传输距离远。
附图说明
23.图1是本实用新型一种左右手圆极化可重构的植入式天线的俯视图；
24.图2是图1的侧视图；
25.图3是本实用新型直流馈电结构的电路图；
26.图4是图1俯视图的参数尺寸示意图；
27.图5是图2侧视图的参数尺寸示意图；
28.图6是本实用新型在中心频率为2.45ghz时左旋圆极化状态下的s参数曲线和轴比；
29.图7是本实用新型在中心频率为2.45ghz时右旋圆极化状态下的s参数曲线和轴比；
30.图8是本实用新型在频率为2.45ghz时左旋圆极化状态下的平面增益方向图；
31.图9是本实用新型在频率为2.45ghz时右旋圆极化状态下的平面增益方向图；
32.图10是本实用新型在频率为2.45ghz时各方向上的轴比。
33.图11是本实用新型的人体肌肉组织环境示意图。
具体实施方式
34.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。
35.实施例1
36.如图1-图2所示，一种用于移动医疗的左右手圆极化可重构的植入式天线，包括上层介质基板2b及下层介质基板2a，两层介质基板均使用0.635mm的 rogers 3010基板，所述下层介质基板的上表面设置天线辐射单元，其下表面设置金属地板。天线辐射单元被u形槽
分隔为两个部分，所述下层介质基板及天线辐射单元均为矩形结构，所述u形槽由三条依次垂直的槽线构成，两条末端槽线与天线辐射单元的一侧边连接，环绕在u形槽内的部分称为中心金属1a，其它部分称为外围金属1b。
37.所述上层介质基板覆盖天线辐射单元，并在二极管组的对应位置开浅槽，使其紧贴辐射贴片，起到隔离保护作用。
38.进一步，u形槽的两条平行臂设置二极管组4a、4b，每个二极管组包括三个开关二极管，用于连接天线辐射单元的两部分，每条臂上设置三个并排同向的二极管，用于连接中心金属和外围金属。
39.进一步，所述天线辐射单元和金属地板通过金属通孔5a、5b连接，金属通孔5a及金属通孔5b设置在u形槽两条平行臂与天线辐射单元边缘之间，引入感性成分，实现了小型化。
40.进一步，所述下层介质基板的一侧中心位置设置焊盘1c，与直流馈电结构连接。
41.如图3所示，所述直流馈电结构包括第一电池7a、第二电池7b、第一开关 8a、第二开关8b、第一射频隔离电感9a及第二射频隔离电感9b，所述第一电池7a的正极与第二电池7b的负极连接，两个电池之间设置第一开关8a，所述第一开关8a与第一射频隔离电感9a连接第一端口，第一电池7a的负极与第二电池7b的正极连接后与第二开关连接，所述第二开关7b与第二射频隔离电感 9b连接后与第二端口连接，所述第一端口10a及第二端口10b分别与焊盘1c和金属地板3连接。第一开关用作状态切换，射频隔离电感用作防止直流源和交流源的互相干扰。
42.所述直流馈电结构通过射频隔离电感连接至天线，控制电路开关可以切换天线的圆极化状态。
43.进一步，同轴馈电结构由50ω的同轴线构成，内芯半径为0.2mm，外径半径未0.7mm，内芯通过下层介质基板连接天线辐射单元，其外芯位于下层介质基板。
44.本实施例各个部件的优选尺寸如下：
45.如图4及图5所示，天线辐射单元的长度l1＝7.9mm，宽度l2＝5.6mm，距离下层介质基板边沿的距离w2＝0.5mm，u形槽的宽度w1＝0.5mm，被隔离出的中心金属1a长度为l3＝5.5mm，宽度l4＝2.5mm，引出的焊盘长度 l5＝0.8mm，宽度l6＝0.4mm，由宽度为d1＝0.2mm的金属线连接至中心金属1a。
46.所述上层介质基板2b的长度s1＝8.9mm，宽度s2＝6.6mm，下层介质基板2a侧边用于支撑焊盘1c的大小为0.5mm
×
1mm。
47.所述金属通孔的半径为0.2mm，和基板边沿的距离d5＝0.8mm。
48.所述同轴馈电在平面辐射贴片的中心轴上，距离边沿d4＝1mm，同轴内芯半径为0.2mm。
49.本实施例中，高介电常数介质基板2a和2b为rogers 3010，其相对介电常数为10.2，电损耗角正切为0.0035，厚度为0.635mm。
50.本实施例中二极管组所使用的二极管型号为bar50 pin二极管，特点是具有小尺寸，在射频段的线性特性比较好。其尺寸大小为1mm
×
0.6mm
×
0.4 mm，实施例中每个二极管的距离d3为0.9mm。导通电阻2ω，截至电阻为5k ω。
51.本实施例中第一电池7a和第二电池7b使用1.5v电池，第一及第二射频隔离电感
9a、9b使用型号为lqw18an56nj00的电感器，特点是体积小，电感大小为56nh。
52.本实施例中第一开关8a可以切换天线的工作状态，改变圆极化方式，实现极化可重构，第二开关8b可以控制总电源，电感器9a和9b可以隔离交流信号，防止电路干扰。
53.本实施例中一种左右手圆极化可重构的植入式天线的可重构方法，具体如下：
54.当第一开关与第一电源连接时候，直流馈电结构第一端口相较于第二端口为正电位，u形槽的一侧臂开关二极管开通，外围金属电流通过导通二极管流入中心金属，实现左旋圆极化；
55.当第一开关与第二电源连接时候，直流馈电结构第一端口相较于第二端口为负电位，u形槽的另一侧臂开关二极管开通，外围金属流入中心金属的电流形成反向，改变了电流路径，实现右旋圆极化。
56.如图6和图7所示，当天线处于左旋圆极化状态时，s11《-10db时频率范围为：2.11—2.63ghz，带宽为520mhz，相对带宽为21.9％，轴比《3 db时频率范围为：2.38—2.53ghz，带宽为150mhz，相对带宽为6.1％，全部覆盖2.45ghz ism频段；当天线处于右旋圆极化状态时，s11《-10db时频率范围为：2.11—2.63ghz，带宽为520mhz，相对带宽为21.9％，轴比《3 db时频率范围为：2.39—2.53ghz，带宽为140mhz，相对带宽为5.7％，全部覆盖2.45ghz ism频段。
57.如图8和图9所示，天线辐射最大增益为-23.9dbi，可靠传输距离远，传输效率高。本实用新型天线方向图最大辐射方向为垂直向上方向，具有较好的定向辐射特性。天线在切换直流馈电电路开关8a后实现了不同的圆极化工作状态。在左旋圆极化状态时的半功率波束宽度(half-power beam width，hpbw)分别为-40
°
至31
°
(xoz平面)，-30
°
至42
°
(yoz平面)。在右旋圆极化状态时的半功率波束宽度分别为-41
°
至31
°
(xoz平面)，-43
°
至30
°
(yoz平面)。
58.如图10所示，天线工作在左旋圆极化时，3db轴比波束宽度(axial ratiobeam width，arbw)分别为-61
°
至21
°
(xoz平面)，-23
°
至62
°
(yoz平面)。在右旋圆极化状态时，3db轴比波束宽度分别为-60
°
至22
°
(xoz平面)，
ꢀ‑
62
°
至24
°
(yoz平面)。
59.如图11所示，天线工作在边长为100mm，高度为40mm的人体肌肉组织方形模型的中央，该肌肉模型在频率为2.45ghz时的相对介电常数εr＝52.7，电导率为σ＝1.73s/m，植入深度为15mm。
60.该天线具有阻抗带宽大、小型化、圆极化、抗极化失配、高增益和双圆极化切换的特点。
61.实施例2
62.一种植入式器件，包括所述的植入式天线。所述植入式天线包括天线辐射单元、上层介质基板、下层介质基板、金属地板、二极管组、金属通孔、同轴馈电结构、直流馈电结构，所述天线辐射单元位于高介电常数的下层介质基板的上表面，金属地板位于高介电常数下层介质基板的下表面。所述天线辐射单元上分布有射频开关二极管。所述直流馈电系统通过射频隔离电感连接至天线，控制电路开关可以切换天线的圆极化状态。
63.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。