无线胶囊内窥镜超小型天线设计方法及应用分析

工程科学与技术，国际期刊21（2018）938完整文章一种用于胃肠内窥镜检查的超小型胶囊天线的分析T. Mary Neebha，M.内萨苏达电子和通信工程，Karunya技术和科学学院，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年1月29日收到2018年6月5日修订2018年6月21日接受在线发售2018年关键词：超材料微型天线无线胶囊内窥镜可摄取天线A B S T R A C T介绍了一种用于无线胶囊内窥镜的小型化天线。无线胶囊内窥镜是替代传统内窥镜方法的最佳选择。该胶囊中的天线为用于检查胃肠道（GI）的系统提供了明确的电磁性能。所提出的天线具有与天线结构嵌入的双C形谐振结构（DCRS）这种结构可以在任何期望的频率上引入强的电响应，因此可以构造具有负介电常数的超材料。提取超材料的参数，以确认其人工行为。在2.45 GHz下使用同轴电缆对微型天线进行了表征，我们获得了-23dBi的模拟增益和实现的分数带宽为20.4%。本文还说明了计算的方法，在没有任何传统同轴电缆的情况下，隔离天线结构的阻抗这种天线设计非常适合可摄取应用，因为它是小型化的，并在ISM频段工作©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍生物学和医学中的无线可植入和可摄取设备促进了各种诊断和治疗方法。传统的内窥镜管通过喉咙，反过来又会给患者带来疼痛和不适。在这种情况下，无痛无线可摄取胶囊系统作为传统方法的完美替代品出现。但影响系统性能的因素很多，包括尺寸、增益、阻抗带宽、失谐效应、对周围环境的敏感性、辐射安全性和极化漂移等。其中，天线的小型化是无线接入设备的最大要求之一[1，2]。在天线的特性（例如体积、带宽和效率）之间的良好折衷是天线小型化的重要方面。这将严重影响天线特性，包括带宽、效率、增益、极化纯度以及天线馈电位置[1]。天线的小型化可以通过使用高介电常数基板或通过使用小尺寸的辐射元件来实现。它还取决于导电平面的大小。的大小可以通过在其上创建槽来减小辐射元件[2]。*通讯作者。电子邮件地址：maryneebha@karunya.edu（T. MaryNeebha）。由Karabuk大学负责进行同行审查。与可摄取天线的微型化相关的主要挑战和进展之一是确定如何在不干扰其行为的情况下对其进行表征[3，34]。阻抗匹配是可摄取天线设计中的重要设计标准，因为胶囊系统具有与其相关联的其他电子元件。天线中的匹配可以通过使用同轴电缆通过将其正确定位在天线结构的辐射元件上来完成。但是对于具有小尺寸接地平面的可摄取天线，使用同轴电缆的表征导致其行为的变化[4]。当RF电缆放置在天线的反应场区域中时，微型天线的阻抗和辐射特性将受到干扰，因为这修改了天线的近场和电流分布。输入阻抗的实部和无功部分都将通过此动作进行修改。当天线和天线座没有适当平衡时，电流从天线座泄漏到电缆的外表面时，电缆将充当辐射器[5]。在电缆外壁上使用铁氧体扼流圈、使用四分之一波长套管和双频带巴伦是用于克服电缆影响的某些技术[6]。抑制在同轴电缆的外导体处产生的杂散电流的方法之一是通过平衡-不平衡变换器将天线连接到不平衡同轴电缆。通过这种方法可以减小耦合和误差，从而可以准确地测量天线。天线加上接地平面组件将被转换成介于平衡天线和接地平面组件之间https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.06.0172215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchT. Mary Neebha，M.Nesasudha/工程科学与技术，国际期刊21（2018）938939--××ððÞf以及由于接地平面的影响以及由于当胶囊被患者吞咽时可摄取天线在消化道上滚动而导致的具有不同姿势的导电人体的存在而导致的不平衡状态平衡-不平衡转换器通常用于将平衡负载连接到不平衡负载。在变化的平衡条件下，克服寄生电流的合适设计是套筒巴伦或火箭筒巴伦[7]。套管巴伦将产生开路，以减少同轴电缆上的杂散因此，通过引入套筒巴伦，用于计算的电缆将不再干扰天线组件的特性平衡-不平衡转换器通常用于抑制同轴电缆和金属线结构上的奇模电缆电流[8]。四分之一波长套管在400 MHz至1 GHz的频率范围内有效。通过使用短接套管巴伦来减少RF电缆效应是有限频带的。对于多频带操作，需要为每个频带附加几个窄带巴伦[9，10]。因此，双频带巴伦能够减少双频带处的扰动。除了这些电缆的影响，也有通过测量天线与仿真过程中获得的结果之间的差异。这是因为我们在测量期间使用无限长电缆，在模拟期间使用有限长电缆，天线的特性将随电缆长度而变化。这种效应可以通过模拟无限长电缆来校正，这是通过在电缆末端使用吸收边界条件来实现的[2]。这样，只要知道单天线和无限长电缆天线的仿真结果，就可以从被测天线中提取出无电缆隔离天线的特性。在单极线贴片天线的情况下，通过单个天线和具有“无限”同轴电缆结构的天线的模拟结果（1）[2]。同轴探针通过接地面和介电基板连接到顶帽，用于向天线馈电。通过接地线获得低频谐振，接地线充当天线的短路[13]。天线的电容由接地层上方的顶帽表示。 谐振频率随顶帽的大小、天线的高度、基板的介电常数和地线直径而变化[14]。天线顶帽由一个封闭的缝隙组成，缝隙由一个分立的电容器加载，因此谐振频率进一步降低到一个较低的值[15]。天线尺寸为5 mm 5 mm 2 mm，介电常数为3.55的介质基板。图1所示为具有同轴馈电的单极线贴片天线。具有电容值0.66的回波损耗，12 dB，阻抗为73 Ohm在工作频率2.43 GHz下获得。天线的增益为23 dB。单极线贴片天线具有类似双极的辐射特性[13]。但是，由于用于测量天线特性的传统同轴电缆导致的天线小型化和损耗导致工作频带上的效率低下[21]。因此，必须考虑提高小型天线效率的技术。通过增加辐射结构上的槽长度，通过改变用作天线基板的材料的性质，以及通过使用超材料，可以提高微型天线的效率。本文考虑了引入超材料以提高效率的问题。2.2. DCR结构超材料是人工结构，其电磁响应在自然界中不可用[16，17]。这些Meta材料被构造成具有负介电常数，HimpZcafÞ¼ZaðfÞð1Þ一种用于获得高效电性能的小天线（EESA）系统[18，31]。双C形谐振（DCR）结构被嵌入天线结构。其中Zca（f）是无限大的天线的阻抗，同轴电缆结构，Za（f）是通过仿真得到的单天线结构的阻抗。因此，如果我们知道该传递函数的值和天线结构的阻抗的测量值，我们可以容易地检索不受RF电缆效应影响的单个天线结构的属性。通过将辐射器放置在高介电衬底上来实现可摄取天线的小型化的过程具有若干缺点[11]。电磁场将保持高度集中在高介电常数区域周围。高介电常数介质的特性阻抗较低，阻抗匹配这些限制可以通过使用超材料来克服，这有助于提高阻抗匹配、带宽、效率和增益的基本天线特性[12]。本文提出了一种工作在2.45 GHz医疗频段的双C形谐振结构单极线贴片天线（DCSR），并分析了其阻抗和小型化特性，以验证该天线用于可摄入胶囊系统的可行性。与传统设计相比，DCR结构将在很大程度上减小天线体积，这是可摄取系统的主要目标[232. 微型天线设计2.1. 单极线贴片天线单极线贴片天线可以被设计为在2.45 GHz频率下工作，最大尺寸为k0/25。一这种结构可以在具有宽带宽的期望分裂处在任何期望频率上引入强电响应[26在这里，平面DCR结构被检查用于可摄取胶囊应用。此外，这种提出的DCR结构提供了良好的小型化，因为从其尺寸可以明显看出。这些结果表明，我们提出的天线嵌入这种DCR结构是非常适合的可摄取胶囊系统。矩形双C形谐振器（DCR）结构如图2所示。[19]第10段。矩形基板的尺寸为5 mm× 2 mm，介电常数为3.9。的Fig. 1.单极导线贴片天线。940T. Mary Neebha，M.Nesasudha/工程科学与技术，国际期刊21（2018）938-图二. 双C形谐振（DCR）结构。PEC条的宽度为0.1 mm，PEC条之间的间隙也为0.1 mm。左手材料具有磁导率和介电常数的负传播分布。DCR结构提供了尺寸减小、更少的电磁干扰和紧凑性，因此可以使用天线图3.第三章。加载DCR结构的单极线贴片天线见图4。 S参数图用于可摄取的应用。双C形谐振（DCR）结构被蚀刻在单极线贴片结构中，其条带抵靠电缆放置，如图所示。3.第三章。通过引入超材料，双频天线也可以在一定条件下构造[20，30，32，33]。这种天线结构具有体积小、成本低、结构紧凑、易于加工等优点。通过这种结构，可以实现良好的辐射特性，具有较高的回波损耗，并且可以用于无线通信中的各种应用2.3. 模拟结果天线顶帽由一个分立电容加载，该电容可以调节以获得所需的谐振频率和阻抗匹配频带。电容器的值被认为是0.58 pF。当电容值为0.58pF时，在谐振频率为2.45 GHz。图4示出了针对上述天线组件的回波损耗获得的曲线图。天线的阻抗适当地终止于50欧姆。由于以下原因，获得了减小的操作带宽：图五. 输入阻抗图。见图6。 3D Directivity模式。T. Mary Neebha，M.Nesasudha/工程科学与技术，国际期刊21（2018）938941微型天线的小尺寸在2.45 GHz的工作频率下，微型天线的输入阻抗为73.7欧姆。 图 5表示天线输入阻抗的曲线图。单极线贴片天线提供类似双极的辐射特性。辐射和方向性模式代表了微型天线的独特特性。天线在2.45 GHz工作频率下的3D方向图如图所示。 六、在图7中获得的2D辐射图是类似偶极子的，并且所提出的天线的其他特性在表1中示出。见图7。 2D辐射模式。双C形谐振（DCR）结构加载单极贴片天线与单极贴片天线相比，具有更好的增益、效率和回波损耗特性。这种天线设计提供了类似双极的辐射特性，并可以集成在微型可摄取胶囊系统内。将所提出的天线的微型化和阻抗效应与各种文献进行比较，如表2所示。3. 阻抗计算：馈电电缆效应3.1. 有限长电缆可摄取胶囊被患者吞咽，并且系统内的传感器感测信号并发送回存在于体外的接收器。因此，阻抗匹配是设计天线时的关键因素。微型天线的特点是使用传统的同轴电缆，没有额外的潜在的辐射元件引入，以克服电缆的缺点。但微型天线的性能将受到干扰的射频电缆，因为他们有减少接地层。当引入有限长度的RF电缆时，辐射元件将由单个天线和有限电缆代替，如图所示。8.第八条。在电缆上产生的驻波将影响天线结构在2.45 GHz谐振频率下的输入阻抗和回波损耗，如表3所示。它也会影响天线的辐射特性。图9示出了对于3 cm和10 cm的不同有限电缆长度的微型天线的回波损耗的曲线图。图10和11号。分别表示对于3cm和10cm的不同有限电缆长度的天线组件的输入阻抗的曲线图。实际上，电缆上不存在驻波，因此有限电缆结构的模拟结果并不代表实际测量的结果。 铁氧体扼流圈可以用来阻止漏电流[22]，表1所提出的可摄取天线的特性。天线类型尺寸（长×宽×高）频率带宽（GHz）分数带宽（%）增益（dB）DCR加载单极贴片天线5 mm×5 mm × 2mm 2.435表2性能比较。Citation频带辐射结构微型化贴片尺寸阻抗匹配技术应用Skrivervik等人[1]1.56 GHz-共形槽PIFA60 mm ×60 mmU移动式Laure等人[2]2.4 GHz单极贴片20 mm ×20 mmUISM波段 Leong等人。[4]Icheln等人[5]1 GHz偶极子，电缆长度为60 mm，160 mm电缆–Anda等人2011年：200系统Delaveaud等人[13]1.77 GHz单极线贴片Raj Kumar等人[18]2.1 GHz Spiral[26]Zhang等人[34]915 MHz共形差分馈电体积本文研究了2.4GHz的具有DCR结构的5 mm ×5 mmU可吸收胶囊无线连接是可摄取系统性能的优先要求之一这可以通过所提出的天线结构来实现942T. Mary Neebha，M.Nesasudha/工程科学与技术，国际期刊21（2018）938见图8。 天线加有限长电缆辐射结构。表3不同电缆长度的观察结果。见图10。 电缆长度为3 cm时的输入阻抗。电缆长度（cm）S参数（dB）阻抗的实际值3-9.3 43.510-4.824.1见图11。 电缆长度为10 cm时的输入阻抗。见图9。 不同电缆长度的反射系数。当放置在小天线的反应场区域时，会出现异常。 图 12给出了远场总辐射功率的值。3.2. 无限长电缆一个这导致在电缆末端处不存在反射波，因此不存在驻波。由于实际中电缆上存在行波，用这种方法计算的通过在电缆末端应用吸收条件，即使在改变电缆长度之后，天线加上“无限”电缆结构的回波损耗、阻 抗 和 其 他 参 数 吸 收 边 界 条 件 必 须 是 在 电 缆 末 端 的 完 全 匹 配 层（PML）。在波动方程问题的情况下，来自有限感兴趣区域的一些放射性波可能逃逸到无穷远。一个完美的吸收层可以被放置在邻近该区域的边缘，使得出射波将被吸收，而不会被吸收。T. Mary Neebha，M.Nesasudha/工程科学与技术，国际期刊21（2018）938943-图12个。可摄入天线的远场辐射功率图14.天线加无限长电缆结构的输入阻抗。图十三. 天线加无限长电缆结构的回波损耗。任何来自吸收体边缘的反射完全匹配层（PML）是一种新型的匹配介质，它能吸收电磁波而不发生反射。无界电磁场问题可用时域有限差分法求解。在仿真的情况下，精确的PML行为意味着天线输入阻抗对于不同的电缆长度保持不变。图13表示天线加无限电缆组件的回波损耗的曲线图。在图14中，使用PML时，不同电缆长度（3 cm和10cm）的输入阻抗绘制了电缆末端对于代表天线加无限长同轴电缆结构的PML集成组件，获得了5dB的回波损耗和23欧姆的阻抗。因此，天线加无限长同轴电缆结构的输入阻抗与单天线结构的输入阻抗不同。这表明，如果我们知道天线结构的传递函数和阻抗的测量值，我们可以容易地识别单个天线结构的特性，这反过来为小型化铺平了道路。4. 结论同轴电缆可用于测量天线的基本参数。通过使用适当屏蔽和定位的RF电缆向天线馈电。但是射频电缆有很多缺点。这将向电缆的外导体引入寄生电流泄漏。电缆本身可以作为辐射器，由于这些影响，天线的参数随电缆长度的增加而增加。但对于小型贴片天线，这种影响可以通过在电缆末端使用吸收条件来克服。 从而可以恢复隔离天线结构的特性。通过在单极贴片天线结构中加载超材料，大大提高了天线的效率和增益。所提出的小型化天线结构可以在医学应用中用作可摄取天线。利益冲突声明我们，作者声明不存在利益冲突引用[1] K. Skrivervik，J.F.奥里彻岛Staub，J.R. Mosig，PCS天线设计：小型化的挑战，IEEE EQUINNAS Propag。麦格 43（4）（2001）12-27。[2] 张文，张文，等，超小型天线的阻抗与辐射量测方法，国立成功大学机械工程研究所硕士论文。62（7）（2014）。[3] M.R. Yuce，T. Dissanayake，易于吞咽的无线遥测，IEEE微波杂志13（2012）90-101 [2] H。于角M. 14，no. 4，pp. 74，82，2013.[4] K.S. Leong，M. Leng，P.H. Cole，射频电缆对RFID标签天线阻抗测量的影响的研究，在：Proc. Soc. Int. 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