基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线的制作方法

1.本发明属于生物医学遥测植入式天线技术领域，具体涉及一种基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线。


背景技术：

2.当今中国已步入老龄化社会，对高质量的医疗保健业务需求日益增大，无线生物医疗因其便捷性成为了当前及未来医疗发展的主要趋势。无线生物医疗设备在健康监测、医疗诊断、疾病治疗和修复等方面发挥了重要作用，取代了与人体植入物之间的有线连接产生的不适感，可以获得用于诊断和后续治疗的有益信息。植入式天线在植入设备和外部设备之间建立无线链接至关重要，体内通信具有多种优势，包括遥测，访问适当的医疗记录以及使用植入的设备跟踪患者。在生物医学遥测中，数据传输允许植入式设备与接收器之间保持一定距离，而且植入式天线由于复杂的工作环境，受到有耗媒质的高强度耦合，这就对植入式天线的小型化，生物兼容性，安全性和高增益性等性能提出了挑战。
3.超材料是一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工合成结构，当电磁波在人工电磁材料中进行传播，其传播路径会被改变，这样就可以利用该特性来调控电磁波。材料的电磁特性主要体现在介电常数和磁导率上，对各向同性的材料，折射率的计算表示为显然，当相对介电常数和相对磁导率中至少有一个趋近零时，材料的折射率就近零。根据广义菲涅尔公式，不论入射角多大，出射角都为零度，即电磁波透射出人工材料时，电磁波传播方向都垂直于出射表面。零折射率超材料的新颖特性在天线电波调控中发挥了巨大的优势，并具有广泛的应用前景。
4.现有技术采用引入外部结构的形式，采用印刷栅极表面和半球形玻璃透镜组合，使天线的增益有所增加。但包含这些外部结构，限制了整个天线系统在患者体内的植入。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线，在保持生物医学遥测植入式天线技术指标基本不变的情况下，提高其增益，降低生物医学遥测植入式天线设计难度。
6.本发明所提出的技术问题是这样解决的：
7.一种基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线，包括天线辐射单元1、下层介质基板2、金属地板3、超材料结构4、同轴接头5、两个短路销钉6和上层介质基板7；
8.超材料结构4位于上层介质基板7的上表面；上层介质基板7和下层介质基板2紧密贴合；天线辐射单元1位于上层介质基板7和下层介质基板2的连接面；金属地板3位于下层介质基板2的下表面；
9.超材料结构4由2
×
2排布的超材料单元构成，呈中心旋转对称结构；超材料单元包括金属方环、十字结构和四个短枝节；相邻的金属方环之间留有缝隙，金属方环在上层介质
基板7的上表面，四周边缘处并留有缝隙；四个短枝节与金属方环的边垂直，一端连接金属方环一边的中心，另一端向金属方环的中心延伸，短枝节的长度小于金属方环边长的一半；十字结构与金属方环的中心重合，与金属方环呈45
°
夹角；
10.两个短路销钉6穿过下层介质基板2连接天线辐射单元1和金属地板3；
11.同轴接头5的内芯与天线辐射单元1连接，外层金属与金属地板3连接。
12.进一步的，天线辐射单元1为刻蚀有两个十字形槽及圆环槽的方形金属贴片；方形金属贴片的中心、两个十字形槽的中心和圆环槽的中心重合，位于下层介质基板上表面的中心；第一十字形槽的两个枝节与下层介质基板2的边缘平行，枝节长度小于圆环槽的直径；第二十字形槽的两个枝节与下层介质基板2的边缘呈45
°
夹角，枝节长度大于圆环槽的直径。
13.进一步的，短路销钉6连接天线辐射单元1中方形金属贴片的对侧，连接位置为圆形槽与方形金属贴片之间距离最小的位置。
14.进一步的，同轴接头5的内芯与天线辐射单元1中第二十字形槽中一个枝节末端的一侧，和一个短路销钉6与天线辐射单元1的连接位置同处方形金属贴片的一侧。
15.进一步的，上层介质基板7和下层介质基板2的厚度为0.635mm。
16.进一步的，上层介质基板7和下层介质基板2的材质为生物相容性材料。
17.进一步的，金属地板满覆下层介质基板2的下表面。
18.进一步的，超材料结构4的有效折射率小于1。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明所述基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线解决了一般植入式天线增益较低的劣势，且能保持生物医学遥测植入式天线技术其他指标基本不变。天线工作在2.45ghz(ism)频段，该天线具有小型化，低剖面，高增益，生物相容性等优点，为解决目前植入式天线面临的较低增益问题，提供了一种解决方案。
附图说明
21.图1为本发明所述生物医学遥测植入式高增益天线的剖面示意图；
22.图2为本发明所述天线中天线辐射单元的结构示意图；
23.图3为本发明所述天线中超材料结构的结构示意图；
24.图4为加载和未加载超材料结构的天线在中心频率时单层皮肤组织模型上的增益方向图对比示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
26.本实施例提供一种基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线，其剖面示意图如图1所示，包括天线辐射单元1、下层介质基板2、金属地板3、超材料结构4、同轴接头5、两个短路销钉6和上层介质基板7。
27.超材料结构4位于上层介质基板7的上表面；上层介质基板7和下层介质基板2紧密贴合；天线辐射单元1位于上层介质基板7和下层介质基板2的连接面；金属地板3位于下层介质基板2的下表面；上层介质基板7和下层介质基板2的材质为生物相容性材料；金属地板
满覆下层介质基板2的下表面。
28.超材料结构4的结构示意图如图3所示，由2
×
2排布的超材料单元构成，呈中心旋转对称结构；超材料单元包括金属方环、十字结构和四个短枝节；相邻的金属方环之间留有缝隙，金属方环在上层介质基板7的上表面，四周边缘处并留有缝隙；四个短枝节与金属方环的边垂直，一端连接金属方环一边的中心，另一端向金属方环的中心延伸，短枝节的长度小于金属方环边长的一半；十字结构与金属方环的中心重合，与金属方环呈45
°
夹角。
29.两个短路销钉6穿过下层介质基板2连接天线辐射单元1和金属地板3。
30.同轴接头5的内芯与天线辐射单元1连接，外层金属与金属地板3连接。
31.天线辐射单元1的结构示意图如图2所示，为刻蚀有两个十字形槽及圆环槽的方形金属贴片；方形金属贴片的中心、两个十字形槽的中心和圆环槽的中心重合，位于下层介质基板上表面的中心；第一十字形槽的两个枝节与下层介质基板2的边缘平行，枝节长度小于圆环槽的直径；第二十字形槽的两个枝节与下层介质基板2的边缘呈45
°
夹角，枝节长度大于圆环槽的直径。
32.短路销钉6连接天线辐射单元1中方形金属贴片的对侧，连接位置为圆形槽与方形金属贴片之间距离最小的位置。同轴接头5的内芯与天线辐射单元1中第二十字形槽中一个枝节末端的一侧，和一个短路销钉6与天线辐射单元1的连接位置同处方形金属贴片的一侧。
33.上层介质基板7和下层介质基板2的厚度为0.635mm。
34.超材料结构4的折射率近零，有效折射率小于1，接近于零。本实施例中近零折射率超材料4在天线工作中心频率2.45ghz处的等效折射率值n为0.08，在2.41ghz到2.51ghz频段内|n|＜1。
35.本实施例所述天线的结构参数如表1所示。
36.表1实施例所述天线的结构参数(单位:mm)
[0037][0038]
图4对比了本实施例提供的用于生物医学遥测植入式高增益天线，在加载近零折射率超材料4前后的增益方向图，显然，加载过后的植入式天线增益有明显增大的效果，因此，为解决目前植入式天线面临的较低增益问题，提供了一种有效解决方案。