无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线制造方法及图纸

本发明专利技术公开了无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板、印制在介质基板正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片、印制在介质基板背面的石墨烯接地板和外接的同轴接头构成。石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片和石墨烯接地板的材质均为石墨烯。在八边形缝隙加载辐射贴片中心设置星形辐射状贴片能进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰，能将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性。该植入式天线的尺寸仅为10×10mm，具有宽带、宽轴比波束、高增益、圆极化、低剖面、抗干扰等特点，生物相容性优良，适用于ISM 2.45GHz频带植入式圆极化无线生物医疗装置。

Graphene-based broadband circularly polarized implantable antenna for wireless biomedical devices

The invention discloses a wide-band circularly polarized implantable antenna based on graphene for wireless biomedical devices, which consists of a dielectric substrate, a graphene octagonal slot loading radiation patch printed on the front of the dielectric substrate, a graphene ground plate printed on the back of the dielectric substrate and an external coaxial joint. The material of graphene octagonal gap loaded radiation patch and graphene grounding plate are graphene. The size of the antenna can be further reduced by installing star-shaped radiation patch in the center of the radiation patch loaded with octagonal slots. The geometric perturbation of winding slots can be set in the direction of four corners around the outside of the radiation patch. The single mode of the antenna can be decomposed into two orthogonal modes with equal amplitude and 90 degree phase difference, thus generating circular polarization characteristics. The size of the implanted antenna is only 10 x 10 mm. It has the characteristics of wide bandwidth, wide axis ratio beam, high gain, circular polarization, low profile and anti-interference. It has excellent biocompatibility and is suitable for ISM 2.45 GHz band implanted circular polarization wireless biomedical device.

【技术实现步骤摘要】
无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线
本专利技术涉及无线生物医疗植入式天线
，具体涉及无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，适用于ISM2.45GHz频带植入式圆极化无线生物医疗装置。
技术介绍
随着生活水平和健康意识的不断提高，研究便捷高效的植入式生物医疗装置已经成为当前研究的热点。无线生物医疗装置主要包括生物传感器、无线通信单元、供电单元等，植入式天线是无线通信单元中的核心器件。植入式天线的体积决定了植入式无线生物医疗装置植入患者体内所带来的不适感，这就要求植入式天线的体积要小，这是植入式天线的主要设计指标。人体与人体间的电磁特性具有差异性，且人体内不同组织的电磁特性也不尽相同，具有高介电常数、高损耗、非均匀的特点，这就要求植入式天线需要具有较宽的带宽，并且工作带宽内具有良好的阻抗匹配性能，以适应复杂的植入式环境。天线植入位置和患者移动均会导致与体外接收天线的相对位置发生变化，相对位置计算复杂，对线极化天线容易出现极化失配，导致通信链路失效，并且医院等环境会产生多径效应，如何保持收发天线之间通信稳定是当前研究的焦点。而圆极化植入式天线具有与任何方向线极化天线互相通信的极化特性，利用这一特性能够有效解决线极化与线极化天线之间出现的通信链路失效问题，同时圆极化植入式天线具有抗干扰能力强、误码率低、能够抗多径效应等优点。圆极化实现的方法主要包括单馈法和多馈法，主要形式包括微带天线、槽天线、环天线、偶极子天线等。单馈法实现圆极化的原理是通过增加几何微扰使简并正交模的谐振频率分离，产生幅度相等相位差90度的简并模，形成圆极化特性。单馈法设计的天线体积小、易集成，适用于植入式圆极化天线。非专利文献1：公开了一种单频小型宽带圆极化天线，采用单端口馈电，上层为一方形辐射贴片，下层为完整地板结构，在方形辐射贴片上加载十字缝隙实现圆极化特性，在辐射贴片中心加载两个短路点扩展频带，但该天线尺寸较大。多馈法实现圆极化的原理主要是增加馈电网络，优点是可以增加轴比带宽，但增加的馈电网络会使天线的体积增大，采用差分馈电也能够实现圆极化特性。非专利文献2：公开了一种地板开槽的差分植入式圆极化天线，天线由辐射贴片、接地板和介质基板组成，采用差分馈电，实现圆极化特性，辐射贴片中间开一六边形缝隙，四周增加四个相互垂直的矩形槽，延长电流路径，使谐振频率向低频段偏移，在地板上开一十字缝隙，增加阻抗带宽，但该天线的圆极化带宽较窄。石墨烯纳米材料具有超强的导电性、导热性、透明性及结构坚硬，是当前可制备的最薄材料，在生物医疗、电子通信、航空航天、新能源等多个领域有良好的应用前景。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，使其导电性能优良，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，满足植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，对石墨烯在植入式天线的研究相对较少。引用文献列表非专利文献1：杨贤涛，植入式医疗设备的圆极化天线研究，华南理工大学硕士学位论文，2017:29-43.非专利文献2：李兵，生物医学遥测圆极化天线研究，华南理工大学硕士学位论文，2017:33-43.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，该天线具有宽带、宽轴比波束、圆极化、低剖面、抗干扰等特性，便于集成到植入式生物医疗装置中，适用于ISM2.45GHz工作频带，能够满足复杂植入环境的需求。本专利技术的技术方案是：无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯接地板(3)和外接的同轴接头(4)构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)和石墨烯接地板(3)的材质均为石墨烯；其特征在于：a.所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2-1)，八边形缝隙(2-1)对应介质基板(1)四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙(2-1)与介质基板(1)平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，八边形缝隙(2-1)尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，八边形缝隙(2-1)中心加载星形辐射状贴片(2-2)，星形辐射状贴片(2-2)由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)上的矩形贴片相互交错，在石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心设置星形辐射状贴片(2-2)能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边(2-3)四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰(2-12)、(2-13)、(2-14)、(2-15)，通过设置几何微扰将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个边上开成对的矩形槽(2-8)、(2-9)、(2-10)、(2-11)，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个角上开与对角线平行的山形槽(2-4)、(2-5)、(2-6)、(2-7)，能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移；b.所述的石墨烯接地板(3)为方形地板结构，位于介质基板(1)背面，采用方形地板结构能够有效降低植入式天线与无线生物医疗装置之间的电磁干扰，提高无线生物医疗装置的抗干扰性能；c.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面对称轴上，同轴接头(4)内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯接地板(3)相连接。所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2-1)，八边形缝隙(2-1)长度与宽度W3为5.6mm～6mm，与介质基板(1)平行的边长度L12为3mm～3.4mm，对应介质基板(1)四个角方向的边宽度W20为1.6mm～2mm，八边形缝隙(2-1)与介质基板平行的边设置矩形凸起的长L9为0.1mm～0.3mm，宽W10为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙(2-1)开的矩形槽的长L10为0.1mm～0.3mm，宽W11为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙(2-1)对应介质基板(1)四个角方向的边增加矩形贴片的长度L5为1.5mm～1.9mm，宽W7为0.1mm～0.3mm，八边形缝隙(2-1)中心加载星形辐射状贴片(2-2)，星形辐射状贴片(2-2)中的两个十字交叉的矩形的长L4为3.4mm～3.8mm，宽W8为0.2mm～0.6mm，四个直角等腰三角形的斜边宽度W4为1.6mm～2mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片长L3为1.5mm～1.9mm，宽W6为0.1mm～0.3mm，四个直角等腰三角形的斜边上的矩形贴片与八边形缝隙(2-1)对应介质基板(1)四个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯接地板(3)和外接的同轴接头(4)构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)和石墨烯接地板(3)的材质均为石墨烯；其特征在于：a.所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2‑1)，八边形缝隙(2‑1)对应介质基板(1)四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙(2‑1)与介质基板(1)平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，八边形缝隙(2‑1)尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，八边形缝隙(2‑1)中心加载星形辐射状贴片(2‑2)，星形辐射状贴片(2‑2)由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)上的矩形贴片相互交错，在石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心设置星形辐射状贴片(2‑2)能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边(2‑3)四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰(2‑12)、(2‑13)、(2‑14)、(2‑15)，通过设置几何微扰将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片外侧周边(2‑3)四个边上开成对的矩形槽(2‑8)、(2‑9)、(2‑10)、(2‑11)，在辐射贴片外侧周边(2‑3)四个角上开与对角线平行的山形槽(2‑4)、(2‑5)、(2‑6)、(2‑7)，能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移；b.所述的石墨烯接地板(3)为方形地板结构，位于介质基板(1)背面，采用方形地板结构能够有效降低植入式天线与无线生物医疗装置之间的电磁干扰，提高无线生物医疗装置的抗干扰性能；c.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面对称轴上，同轴接头(4)内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯接地板(3)相连接。...

【技术特征摘要】
1.无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)、印制在介质基板(1)背面的石墨烯接地板(3)和外接的同轴接头(4)构成；所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)和石墨烯接地板(3)的材质均为石墨烯；其特征在于：a.所述的石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)关于中心点对称，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2-1)，八边形缝隙(2-1)对应介质基板(1)四个角方向的边增加矩形贴片，八边形缝隙(2-1)与介质基板(1)平行的边设置矩形凸起并开有矩形槽能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，八边形缝隙(2-1)尺寸的增加能够使植入式天线谐振频率向低频方向移动，八边形缝隙(2-1)中心加载星形辐射状贴片(2-2)，星形辐射状贴片(2-2)由两个十字交叉的矩形、四个直角等腰三角形和每个直角等腰三角形边上的矩形贴片组成，直角等腰三角形边上的矩形贴片与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)上的矩形贴片相互交错，在石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心设置星形辐射状贴片(2-2)能够进一步缩小天线的尺寸，辐射贴片外侧周边(2-3)四个角的方向设置曲折蜿蜒缝隙几何微扰(2-12)、(2-13)、(2-14)、(2-15)，通过设置几何微扰将天线单一工作模式分解成幅度相等相位差90度的两个正交模式，从而产生圆极化特性，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个边上开成对的矩形槽(2-8)、(2-9)、(2-10)、(2-11)，在辐射贴片外侧周边(2-3)四个角上开与对角线平行的山形槽(2-4)、(2-5)、(2-6)、(2-7)，能够延长石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)表面的电流路径，并且使天线的谐振频率向低频方向偏移；b.所述的石墨烯接地板(3)为方形地板结构，位于介质基板(1)背面，采用方形地板结构能够有效降低植入式天线与无线生物医疗装置之间的电磁干扰，提高无线生物医疗装置的抗干扰性能；c.所述的同轴接头(4)位于介质基板(1)背面对称轴上，同轴接头(4)内芯与石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)相连接，同轴接头(4)外圆柱导体与石墨烯接地板(3)相连接。2.根据权利要求1所述的无线生物医疗装置基于石墨烯的宽带圆极化植入式天线，其特征在于所述的石墨烯材料厚度为0.01mm～0.03mm，石墨烯八边形缝隙加载辐射贴片(2)中心为八边形缝隙(2-1)，八边形缝隙(2-1)长度与宽度W3为5.6mm～6mm，与介质基板(1)平行的边长度L12为3mm～3.4mm，对应介质基板(1)四个角方向的边宽度W20为1.6mm～2mm，八边形缝隙(2-1)与介质基板平行的边设置矩形凸起的长L9为0.1mm～0.3mm，宽W10为0.3mm～0.6mm，八边形缝隙(2-1)开的矩形槽的长L10为0.1mm～0....

【专利技术属性】
技术研发人员：欧仁侠，张华磊，鲍捷，齐秋菊，
申请(专利权)人：吉林医药学院，
类型：发明
国别省市：吉林,22