[实用新型]基于石墨烯的摄入式胶囊内窥镜的宽带圆极化环形天线

说明书

本实用新型公开了基于石墨烯的摄入式胶囊内窥镜的宽带圆极化环形天线，天线的辐射贴片和地板材质均为多层石墨烯薄膜，多层石墨烯薄膜材质的载流子密度较高，导电性能优良，用多层石墨烯薄膜制作天线能够增加阻抗带宽和增益，有效提升传输效率并降低损耗。在外侧环形贴片上开四对L形槽，使电流方向发生交替变化，在空间上形成幅值相等且相位差值为90度的正交分量，产生圆极化特性。在内侧环形曲流槽圆形贴片开一条环形曲流槽，改变天线辐射表面中心电流分布，缩小天线尺寸。该天线体积仅为π×(4.5)²mm³，具有宽频带、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特点，适用于ISM 2.4GHz频段，能满足摄入复杂环境的工作要求。

技术领域

本实用新型涉及摄入式胶囊内窥镜天线技术领域，具体涉及基于石墨烯的摄入式胶囊内窥镜的宽带圆极化环形天线，适用于ISM 2.4GHz频段的圆极化摄入式胶囊内窥镜装置。

背景技术

传统内窥镜是诊断和治疗消化道疾病比较直接和常用的方法，通常由显示器和安装视频摄像头的光纤组成，然而，传统内窥镜在治疗过程中都是通过口腔或肛门直接插入，这不仅给患者带来较大的痛苦，而且还容易引起并发症，导致病人因恐惧而放弃治疗，同时，由于人体消化道存在多曲狭长的生理特点，传统内窥镜存在一定的检查盲区，内窥镜无法进入小肠的中端和近端，导致小肠的三分之二无法被检测。随着智能生物医学技术的迅猛发展，摄入式胶囊内窥镜将逐渐取代传统插入式内窥镜，摄入式胶囊内窥镜是一种集成生物医学、信息通讯、图像处理、光电工程的消化系统无创无痛诊断技术，它可以克服传统内窥镜的缺点，直接对人体消化系统进行安全无创的检查。摄入式胶囊内窥镜装置通常包括图像传感器、LED 光源、电池、发射器、接收器、天线等，摄入式胶囊内窥镜摄入到人体消化道内，通过胃肠蠕动向下推进，通过摄像头采集拍摄食道、胃、大肠和小肠的内壁，通过天线将采集的信息传输到体外接收装置用于存储和分析，最终实现对整个消化系统的无创检测。天线是摄入式胶囊内窥镜装置的关键器件，主要功能是将图像传感器采集的人体消化道内数据以电磁波的形式传输至体外接收装置，天线的性能直接影响图像和视频数据传输的精确度和实时性。为获取高分辨率图像和视频信息来诊断病变位置，需要提高数据传输的帧速率来提高诊断的准确性，同时也要考虑胶囊内窥镜被摄入后在不同环境下的工作性能，这就要求天线具有较低的功耗、较宽的带宽和较强的抗干扰能力，设计宽带、圆极化、小型化的天线能够很好的满足上述要求，同时，圆极化天线还可以抑制胶囊在不同消化器官内部环境和运动产生的极化失配。摄入式天线小型化的方法主要是延长电流路径增加电尺寸、改变介质基板结构、采用高介电常数介质基板、采取加载技术增加有源网络等。非专利文献1：公开一种用于生物遥测的915MHz ISM波段的宽带圆极化植入式天线，在圆形辐射贴片中心开一个角槽，增加两对关于圆心对称的槽，延长电流路径，降低谐振频率，通过增加短路探针减小天线的设计尺寸，但该天线的缺点是带宽有限。非专利文献2：公开了一种用于无线胶囊内窥镜系统的共形圆极化天线，该天线辐射贴片由矩形线圈、不对称U形导带和突出的L形短枝节组成，通过不对称 U形导带产生圆极化特性，通过地板上的两个金属孔馈电，天线与胶囊内壁共形，共形天线可以减少对胶囊内部体积的使用，提高系统集成度，同时提高增益和辐射效率，但共形天线没有完整的地板，与其它设备之间的抗干扰性能和电磁兼容能力较其它类型天线较弱。非专利文献3：公开了一种用于胶囊内窥镜装置的圆极化天线，该天线与胶囊外壁共形，形成自封装结构，提高了天线的辐射效率和增益，该共形天线具有完整的地板，在胶囊内部区域形成屏蔽层，提高了抗干扰和电磁兼容性能，但该天线设计调试较为复杂。将天线设计在胶囊内部能够避免天线与人体组织的接触，防止收到组织液的腐蚀。螺旋天线具有带宽宽、容易实现圆极化等特性，但常规的螺旋天线体积较大。石墨烯材料的导电性能是普通材料的50倍，石墨烯具有的蜂窝结构，能够产生较高的载流子密度，导电性能优良，同时，石墨烯材料的导电率具有动态可调节性，石墨烯材料凭借独特的性能和优势在机械、光学、电学、热学等领域受到广泛关注。在印刷天线中使用石墨烯材料能够大大提升天线效能，实现高效动态调节、高透明度、提升传输效率并降低损耗，满足摄入式无线通信系统对天线的微型化需求，同时也能大大增加通信距离。国内外学者对石墨烯材料在天线领域的研究主要集中在太赫兹天线、方向图可重构天线、滤波天线、柔性天线、可穿戴天线，对石墨烯在摄入式天线的研究相对较少。