專利名稱：無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的微波通信設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)涉及微波通信部分的主要性能指標(biāo)和信道環(huán)境特征以及制造安裝要求包括1.體內(nèi)膠囊和體外便攜式無線收發(fā)裝置在某給定的頻段(如2.4GHz)上采用某種給定的調(diào)制方式(如ASK)通信，為了達到每秒傳輸多幀膠囊內(nèi)圖像傳感器所采集到的醫(yī)學(xué)圖像，數(shù)據(jù)碼率通常要在2Mbps以上，天線必須滿足可靠通信的需求。
2.為了便于吞服和排出人體外，無線內(nèi)窺鏡膠囊的尺寸需要盡量小，天線的尺寸由此受限。
3.膠囊外的便攜式無線收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸裝置是穿戴在患者身體上的，因此從膠囊內(nèi)到體外裝置的距離大約是在70cm內(nèi)。收發(fā)端之間僅是人體的骨骼、肌肉、皮膚和其它各種組織，因此通信信道環(huán)境較好，存在干擾少，但電磁波的衰減較大。利用豬肉(厚7cm)模擬人體環(huán)境進行了通信信道的實測，如下表1測試結(jié)果。結(jié)果表明在ISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段的無線電波穿透人體的主要特點是衰減大。在916MHz時人體的組織帶來的衰減大約在24dB，與文獻中的結(jié)果基本相同，考慮頻率為2.4GHz，如果加上自由空間帶來的衰減，可以估算出從體內(nèi)膠囊到體外的接收裝置之間的衰減大約為72dB。為了能在給定發(fā)射功率和接收靈敏度下實現(xiàn)可靠通信，天線需要達到一定的實際增益，以保證信號在經(jīng)過信道衰減后到達接收端仍然能滿足正確解調(diào)的需要。
4.為了避免信號盲區(qū)，體外裝置采用多天線方案(比如八天線)，因此膠囊內(nèi)天線不要求是全向天線，允許有較強的方向性。
5.考慮到通信機制中具體調(diào)制方式的信號頻譜帶寬以及集成電路工藝偏差和其他效應(yīng)帶來的信號中心頻率的偏移，膠囊內(nèi)天線必須達到一定的阻抗帶寬。
6.無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)電路采用電池供電，其金屬外殼會影響某些類型天線的特性；同時人體環(huán)境也會對天線特性產(chǎn)生一定影響。
7.考慮到成本問題，天線應(yīng)當(dāng)便于加工制造，而且工藝一致性盡量好。
表1 ISM三個不同頻率信號模擬穿透人體的信道衰減測試結(jié)果

發(fā)明內(nèi)容根據(jù)無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)特點尤其是體內(nèi)膠囊具體信道和物理環(huán)境特征可以知道，膠囊內(nèi)天線主要需要滿足尺寸小、實際增益高兩大要求，同時要達到一定的阻抗帶寬，并能在給定的人體和膠囊環(huán)境內(nèi)達到特性指標(biāo)要求。目前在一些研制中或已經(jīng)產(chǎn)品化的無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)膠囊內(nèi)采用的螺旋天線不能很好地在特定環(huán)境中達到較高的特性一致，而且制造也不是很方便。微帶天線具有外形小、重量輕、制作簡單、成本低以及安裝方便等優(yōu)點，而且其自身的金屬地結(jié)構(gòu)的屏蔽作用自動排除了膠囊內(nèi)電池等金屬物質(zhì)對天線特性的影響，適合于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)膠囊內(nèi)的應(yīng)用。因此，本發(fā)明提出了一種無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的微帶天線裝置。
本發(fā)明的特征在于該裝置是一種阻抗帶寬BW＝100MHz、中心工作頻率fC＝2.4GHz且能夠安裝在內(nèi)徑為1cm的無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的天線裝置；位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的無線收發(fā)裝置和該無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置通過所述微帶天線裝置上的饋電通孔傳送射頻信號；所述無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置采用直徑Rsub為5mm、厚度h為4mm、相對介電常數(shù)εr為3.5的圓形微波介質(zhì)，基于常規(guī)雙面印刷電路板工藝加工制造；所述圓形微波介質(zhì)在距離圓心DF＝1mm處有一個孔徑RF＝0.65mm的饋電通孔，該圓形微波介質(zhì)的一面覆有厚度tm＝35um的金屬，并有一個以所述饋電通孔的圓心為圓心、直徑Rgnd為2mm的圓形缺口；該圓形微波介質(zhì)的另一面覆有厚度tm也為35um的金屬輻射單元圖樣，該圖樣由以介質(zhì)圓心為圓心的弧形臂和一段由饋電通孔為圓心沿徑向往外到弧形臂的微帶線組成，所述弧形臂內(nèi)徑Ri＝3.3mm，外徑Ro＝4.3mm，自弧形臂與所述微帶線相交處到該弧形臂末端的弧度θ為5.88弧度，所述微帶線寬度W＝2mm；在所述弧形臂和所述微帶線相交處中心有一個半徑RS＝0.5mm的短路通孔，該短路通孔的圓心與所述圓形微波介質(zhì)圓心的距離為DS＝(Ro+Ri)/2；該短路通孔使得所述弧形臂為四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)，其諧振頻率fR為fR=c4Leffϵeff,]]>其中c為真空中光速，Leff為所述弧形臂有效長度Leff＝DSθ，εeff為有效介電常數(shù)，該fR＝2.45GHz。
本發(fā)明利用微帶天線外形小、重量輕、制作簡單、成本低以及安裝方便等特征，尤其是其自身的金屬地結(jié)構(gòu)的屏蔽作用自動排除了膠囊內(nèi)電池等金屬物質(zhì)對天線特性的影響，本發(fā)明設(shè)計了適用于無線內(nèi)窺鏡膠囊的微帶天線，并可基于普通雙面印刷電路板制造工藝生產(chǎn)。在具體設(shè)計上，利用接地過孔使天線呈四分之一波長結(jié)構(gòu)，同時將輻射單元設(shè)計成弧形臂的形式，以縮小天線尺寸來滿足在膠囊內(nèi)可靠安裝的需要。實測結(jié)果表明特性符合無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)要求。


圖1無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線結(jié)構(gòu)圖；圖1(a)天線正面；圖1(b)天線背面；圖2天線端口特性實測結(jié)果(采用Agilent 8753ES RF矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試)；圖3天線輻射方向圖。
具體實施例方式
一.微型化方案選擇近年來普遍采用的幾種減小微帶天線尺寸的方法有a)采用高介電常數(shù)介質(zhì)。但是高介電常數(shù)對天線帶寬和增益有不利影響。
b)延長貼片表面電流路徑，從而提高天線的電學(xué)尺寸。這包括在接地面邊緣開縫或內(nèi)部開槽、采用U型貼片或折疊貼片、褶皺型貼片等方法。為了保證天線的其他特性，通常貼片圖樣的線寬不能太低，同時考慮到天線增益、帶寬與天線有效體積的正相關(guān)性，開縫或開槽的數(shù)量和大小都受到限制。而U型貼片、折疊貼片、褶皺型貼片等方法則由于其空間立體結(jié)構(gòu)，使得制作復(fù)雜，工藝要求高。
c)采用邊緣短路技術(shù)。其基本原理是利用垂直短路金屬貼片或細(xì)針將輻射貼片某處(通常為邊緣)接地，使得天線以一種類似于1/4波長的結(jié)構(gòu)工作，從而天線貼片尺寸能夠減半。
考慮到制作方便以及天線性能指標(biāo)要求，本發(fā)明采用短路針技術(shù)實現(xiàn)小尺寸微帶天線的設(shè)計，采用半徑為Rsub(受無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)徑限制)、厚度為h、相對介電常數(shù)為εr的微波介質(zhì)，基于普通雙面印刷電路板工藝制造，介質(zhì)上覆蓋的金屬厚度為tm。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示天線貼片圖樣的弧形臂外半徑為Ro(＜10mm)，內(nèi)半徑為Ri；距離圓心DF處用半徑為RF的饋針饋入能量；在圓心與饋針連線的延長線上，與圓心距離DS＝(Ro+Ri)/2處引入半徑為RS的短路通孔，將天線貼片與背面的地相連；饋針到弧形臂之間以寬度為W的微帶線相連；從短路通孔圓心到弧形臂開路端口的弧線所對應(yīng)的弧度為θ；天線背面覆蓋金屬作為地，并且有一個以饋電通孔為圓心半徑為Rgnd的圓形缺口，用來隔離信號和地。
從圖1可知，短路通孔的引入使得弧形臂為四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)，因而該天線在自由空間的諧振頻率fR為fR=c4Leffϵeff---(1)]]>其中c為真空中光速，Leff為所述弧形臂有效長度Leff＝DSθ (2)εeff為在所述微波介質(zhì)上寬度為(Ro-Ri)的弧形臂對應(yīng)的有效介電常數(shù)。
考慮到人體內(nèi)環(huán)境對天線端口阻抗的影響，天線在自由空間諧振頻率fR的設(shè)計指標(biāo)應(yīng)當(dāng)比無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方案中射頻信號中心頻率fC略高。
二.基于阻抗帶寬和增益考慮的介質(zhì)選擇微帶天線存在著阻抗帶寬窄和輻射效率低(從而影響增益)兩個先天不足。在提高帶寬方面，通常有以下一些方法a)提高介質(zhì)板的厚度，補償小尺寸微帶天線較小的電學(xué)厚度。如文獻所討論的那樣，對于圓形貼片微帶天線，隨著介質(zhì)厚度的增加，諧振頻率下降，帶寬增加，輸入阻抗增加。但是介質(zhì)厚度不宜過高，否則天線輸入阻抗將呈純感性，不再有諧振點。
b)采用片上電阻負(fù)載。其實質(zhì)是為電路提供一個有損負(fù)載元件，從而降低諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，這個方法在提高帶寬的同時，會對效率造成較大的負(fù)面影響。
c)在接地面邊緣開縫或內(nèi)部開槽，降低微帶天線的品質(zhì)因數(shù)，該方法在增加阻抗帶寬的同時，還能提高天線效率。此方法的效果受天線本身尺寸大小的限制。
由于無線內(nèi)窺鏡膠囊尺寸受限，在提高帶寬方面，本發(fā)明采用了第一種方法。可以根據(jù)無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方案對帶寬的具體要求來確定介質(zhì)厚度h。
影響微帶天線效率的兩個主要因素為表面波和微帶線衰減。表面波以TE(橫向電場)或TM(橫向磁場)波的形式，將饋入到天線的一部分能量傳播到微帶貼片之外的介質(zhì)中，并沿天線平面的法向很快衰減。文獻指出，當(dāng)介質(zhì)厚度滿足h＜0.02λg(λg為介質(zhì)中的電磁波波長)時，表面波的影響可以忽略。對于通常的無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)微帶天線尺寸，該條件能被滿足，因此主要考慮微帶線衰減對微帶天線效率的影響。
微帶衰減由導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減構(gòu)成。相應(yīng)的衰減系數(shù)α由下式?jīng)Q定α＝αC+αD(3)式中，介質(zhì)衰減系數(shù)αD和導(dǎo)體衰減系數(shù)αC近似為αD=πfϵeffc(ϵeff-1)ϵr(ϵr-1)ϵefftanδ---(4)]]>αC=R(f)Z0---(5)]]>其中tanδ是介質(zhì)損耗角正切，Z0為天線弧形臂微帶線的特性阻抗。而不同頻率下傳輸線單位長度電阻R(f)為R(f)=RDC=1WtσC(f≤fskin)Rskin=12(W+t-2δC)δCσC(f≥fskin)---(6)]]>式中，W為微帶線寬度，t為微帶線厚度，σC為微帶線金屬電導(dǎo)率，δC為集膚深度，fskin為集膚深度等于導(dǎo)體半厚度時的頻率fskin=4πμ0σCt2---(7)]]>圖2(a)、(b)分別給出了高介質(zhì)損耗(FR4tanδ＝0.02，εr＝4.4)和低介質(zhì)損耗(F4BK335tanδ＝0.001，εr＝3.5)兩種情況下的衰減系數(shù)和介質(zhì)厚度的關(guān)系曲線?？梢钥闯鰧τ诮橘|(zhì)損耗較大的普通印制板介質(zhì)FR4，α主要取決于介質(zhì)衰減系數(shù)αD；對于介質(zhì)損耗較小的微波介質(zhì)F4BK335，α主要取決于導(dǎo)體衰減系數(shù)αC。不論哪種情況，圖中曲線都反映了隨著介質(zhì)厚度h的增加，損耗變小，而且變化趨勢趨緩。通過對比可以看出采用低介質(zhì)損耗的微波介質(zhì)代替一般印制版介質(zhì)是提高天線效率和增益的關(guān)鍵；而對于給定種類介質(zhì)，適當(dāng)增加介質(zhì)厚度有助于改善天線效率和增益。
無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方案中采用2.4GHz中心頻率，膠囊內(nèi)徑10mm。膠囊內(nèi)微帶天線在自由空間中諧振頻率設(shè)計指標(biāo)取2.45GHz，阻抗帶寬指標(biāo)取100MHz。作為對比驗證，先取Ro＝5mm，Ri＝3mm，W＝2mm，RF＝0.65mm，DF＝1mm，RS＝0.5mm，DS＝4mm，依次取θ為4.09、4.26、4.44、4.61，選用邊長2cm的正方形FR4介質(zhì)(h＝1.6mm，εr＝4.4，tanδ＝0.02)，表2給出了天線特性的實測結(jié)果?？梢钥闯龌⌒伪塾行чL度影響天線諧振頻率，而且由公式(1)計算得到的天線諧振頻率與實測結(jié)果吻合；由于介質(zhì)厚度較低，因此阻抗帶寬較窄；由于采用普通介質(zhì)，損耗較大，因此天線增益較小。
表2選用邊長2cm的正方形FR4介質(zhì)(h＝1.6mm，εr＝4.4，tanδ＝0.02)制作的四組天線特性實測結(jié)果

為了實現(xiàn)滿足系統(tǒng)指標(biāo)的天線，選用微波介質(zhì)F4BK335制作，其參數(shù)為半徑Rsub＝5mm，厚度h＝4mm，相對介電常數(shù)εr＝3.5，介質(zhì)損耗角正切tanδ＝0.001。天線圖樣參數(shù)為DF＝1mm，RF＝0.65mm，RS＝0.5mm，W＝2mm，θ＝5.88rad，Rgnd＝2mm，取不同的弧形臂內(nèi)外徑Ri和Ro，實測得到天線特性如表3所示表3采用F4BK335微波介質(zhì)(Rsub＝5mm，h＝4mm，εr＝3.5，tanδ＝0.001)制作的五組天線特性實測結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)同樣可以看出弧形臂有效長度的變化對天線諧振頻率的影響。此外，由于提高介質(zhì)厚度，因此阻抗帶寬隨之增加；由于選用低損耗的微波介質(zhì)，增益得到提高。圖2給出了7號天線的端口特性測試結(jié)果(采用Agilent 8753ES RF矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試)，其諧振頻率為2.45GHz，諧振點反射損失-16dB，阻抗帶寬104MHz。圖3為其輻射方向圖，在θ＝111°、φ＝348°方向上，天線增益達到最大值，約為-0.17dBi。
權(quán)利要求
1.無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置，其特征在于該裝置是一種阻抗帶寬BW＝100MHz、中心工作頻率fC＝2.4GHz且能夠安裝在內(nèi)徑為1cm的無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的天線裝置；位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的無線收發(fā)裝置和該無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置通過所述微帶天線裝置上的饋電通孔傳送射頻信號；所述無線內(nèi)窺鏡膠囊微帶天線裝置采用直徑Rsub為5mm、厚度h為4mm、相對介電常數(shù)εr為3.5的圓形微波介質(zhì)，基于常規(guī)雙面印刷電路板工藝加工制造；所述圓形微波介質(zhì)在距離圓心DF＝1mm處有一個孔徑RF＝0.65mm的饋電通孔，該圓形微波介質(zhì)的一面覆有厚度tm＝35um的金屬，并有一個以所述饋電通孔的圓心為圓心、直徑Rgnd為2mm的圓形缺口；該圓形微波介質(zhì)的另一面覆有厚度tm也為35um的金屬輻射單元圖樣，該圖樣由以介質(zhì)圓心為圓心的弧形臂和一段由饋電通孔為圓心沿徑向往外到弧形臂的微帶線組成，所述弧形臂內(nèi)徑Ri＝3.3mm，外徑Ro＝4.3mm，自弧形臂與所述微帶線相交處到該弧形臂末端的弧度θ為5.88弧度，所述微帶線寬度W＝2mm；在所述弧形臂和所述微帶線相交處中心有一個半徑RS＝0.5mm的短路通孔，該短路通孔的圓心與所述圓形微波介質(zhì)圓心的距離為DS＝(Ro+Ri)/2；該短路通孔使得所述弧形臂為四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)，其諧振頻率fR為fR=c4Leffϵeff,]]>其中c為真空中光速，Leff為所述弧形臂有效長度Leff＝DSθ，εeff為有效介電常數(shù)，該fR＝2.45GHz。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線內(nèi)窺鏡的微波通信設(shè)備領(lǐng)域，其特征在于，該裝置是安裝在內(nèi)徑為1cm的無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的微帶天線裝置，它采用短路針技術(shù)，把輻射單元設(shè)計成弧形臂形式以實現(xiàn)小尺寸的微帶天線，在采用低介質(zhì)損耗的微波介質(zhì)的同時，又通過提高介質(zhì)厚度來補償小尺寸微帶天線較小的電學(xué)厚度，并提高天線的增益和效率；本微帶天線是用雙面印制板工藝制造的，自由空間中諧振頻率為2.45Hz，略高于射頻信號中心頻率，阻抗帶寬為100MHz，滿足無線內(nèi)窺鏡膠囊的要求。
文檔編號A61B1/00GK1851982SQ200610012010
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者喻學(xué)藝, 李國林, 王志華 申請人:清華大學(xué)