CN108742643A - 一款适用于人体血糖浓度检测的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一款适用于人体血糖浓度检测的超宽带天线，为单面印刷平面结构，印刷在20mm×20mm×1.6mm的基板上，其金属层包括辐射金属片和接地板两部分，其特征在于，辐射金属片为对称结构，其***是一个底部接着馈电线的长方形金属框，在长方形的顶部开槽，槽口两端通过两个直角形的金属条向金属框内部凹陷，连入两个相对着的直角梯形；在两梯形的中间形成一个倒的等腰梯形状的空白区，在其中加入等比例缩小的倒等腰梯形的金属贴片；辐射金属片的具体尺寸通过仿真得到。本发明在超宽带工作频带内具有稳定的工作特性，能有效发射和接收高频信号。

Description

一款适用于人体血糖浓度检测的超宽带天线
技术领域
本发明涉及一款适用于人体血糖浓度检测的超宽带天线。
背景技术
目前，糖尿病患者的数目日益增长，做好血糖水平的监测工作至关重要。而现行的诸多无创和微创的方法都未免给患者带来身体上的痛苦和精神的压力，增大了感染的风险。人们迫切希望一种精准的无创检测血糖的方法诞生。
随着现代无线通讯技术的发展迅速，信号频带资源趋于紧张，为了满足日益增长的军用需求和民用需求，各类微波器件的工作频带逐渐向高频拓宽。而超宽带(UWB)技术相对于窄带技术来说，具有低功耗，高精度，高速率、廉价高性能等诸多优势的超宽带(UWB)技术具有更好的发展空间。
随着微波无线技术快速发展，超宽带技术可适用的领域不断被拓展，例如探测雷达、材料探伤、人体医学领域等等。平面印刷技术制作的微带贴片天线，具有紧凑的结构和低廉的成本，在被开发研究以来，受到众多研究人员和工程人员的青睐，展开了广泛的探索和应用开发。
一款适用于人体微波检测的天线应具有在组织表面有稳定的阻抗表现，且应具备足够小的尺寸，方便地布置于各种组织表面，例如用于耳垂组织的血糖浓度检测。一个良好的用于耳垂表面的微波检测用小型超宽带天线，还应当在规定频段内有稳定的反射特性，对信号的接收良好，为后期的信号处理提供基础。
发明内容
本发明提供一种新型的小型平面印刷超宽带天线，适用于超宽带频率范围，在工作频带内具有稳定的工作特性，能有效发射和接收高频信号，此天线可应用于耳垂组织表面的血糖浓度无损检测。本发明的技术方案如下：
一款用于耳垂血糖浓度检测的小型超宽带天线，为单面印刷平面结构，印刷在20mm×20mm×1.6mm的基板上，其金属层包括辐射金属片和接地板两部分，其特征在于，辐射金属片为对称结构，其***是一个底部接着馈电线的长方形金属框，在长方形的顶部开槽，槽口两端通过两个直角形的金属条向金属框内部凹陷，连入两个相对着的直角梯形；在两梯形的中间形成一个倒的等腰梯形状的空白区，在其中加入等比例缩小的倒等腰梯形的金属贴片；辐射金属片的具体尺寸通过仿真得到。
附图说明
图1该天线的正面结构示意图
图2该天线的S11特性曲线
图3该天线的发射和接收信号波形
图4该天线的接收信号波形
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
在设计本发明的天线之前，先构造简单的多层耳垂模型，以构建合乎实际的仿真环境。结合耳垂组织结构的简单模型，设置初始的天线尺寸。将所设计的发射天线和接收天线置于模型两侧的皮肤层表面，通过仿真结果适当调试，得到合适的天线结构和尺寸。
如图1所示，此天线为单面印刷平面结构，印刷在介电常数为4.4的FR-4型介质基板上，整体尺寸为20mm×20mm×1.6mm，此天线的双层结构分别为金属层和介质基板层。金属层由辐射金属片和接地板两部分组成。接地板部分是由两块对称的矩形金属片组成。辐射金属片是实现电场能量辐射到空间的谐振单元。设计为对称结构，有利于保持天线良好的方向性，消除交叉极化带来的影响，故此辐射金属片部分设计为对称结构。辐射金属片的***是一个底部接着馈电线的长方形金属框，在长方形的顶部开槽，槽口两端通过两个直角形的金属条向金属框内部凹陷，连入两个相对着的直角梯形。此时，在两梯形的中间形成一个倒的等腰梯形状的空白区，在其中加入等比例缩小的倒等腰梯形的金属贴片，则构成了整个辐射金属片部分的设计。辐射金属片与射频连接器的信号线相连，适用于该款天线的连接器为SMA接头，能将电磁波由传输线传递到辐射金属片。图1是此款超宽带天线正面结构示意图。图1的深色部分即为印刷的金属平面(0.035mm的铜箔)。天线的白色部分是介质层。辐射金属片部分由cst软件根据对应的结构进行计算。经过多次优化得到天线的几何尺寸参数为。天线的具体几何尺寸参数为L＝20mm,W＝20mm,L1＝1mm,L2＝2mm,L3＝9mm,L4＝2mm,L5＝7mm,L6＝1mm,L7＝4mm,W1＝1mm,W2＝6.5mm,W3＝3mm,W4＝1mm,W5＝2mm,W6＝5mm,W7＝8mm,W8＝1mm,W9＝5mm,W10＝3.1mm,W11＝3mm。
图2是天线的S11图。S11表示回波损耗特性。回波损耗(Return Loss,RL)表征的是传输线端口的功率损耗效率，是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB，一般是
负值，其绝对值可以称为反射损耗。它的表示为：RL＝-20log|Γ|(dB)。(Γ是反射系数)
由公式可以推断，回波损耗RL的值越大，说明未反射回的辐射功率越多，匹配性更佳，RL为0时，说明天线处于全反射状态，没有发生波由馈线到天线的传递，即没有发生馈线波的损耗，能量没有辐射出去。从图2中直观地看到天线在工作频带1.22-1.63GHz，3-19.45GHz内的回波损耗均在-10dB以下，具有良好的匹配特性，驻波比高，能量传递效率高。
图3为天线在工作时的输入和接收信号波形。图4为工作时的接收信号波形。但可以看出信号在经过耳垂组织内部的反射后，由于多径效应出现多个波形，然而可以从时间延迟角度推算找出合适的波形。因为工作在高频条件下，波形的衰减比较大。但与发射波相比较，接收波波形起伏趋势不变，仅在幅值有变化，幅值变化可经过后续信号放大处理恢复，因此该天线符合实际的检测需要。
该天线是一款适用于耳垂组织的血糖浓度检测用超宽带天线，在整个工作频段中性能良好，适用于耳垂组织表面，以及一些和人体皮肤组织的介电常数相近的组织。该天线发射的电磁波传输介质为皮肤组织，天线在用于耳垂组织血糖浓度检测时，应紧靠地贴附在皮肤表层接发信号。

Claims (1)

1.一款适用于人体血糖浓度检测的超宽带天线，为单面印刷平面结构，印刷在20mm×20mm×1.6mm的基板上，其金属层包括辐射金属片和接地板两部分。其特征在于，辐射金属片为对称结构，其***是一个底部接着馈电线的长方形金属框，在长方形的顶部开槽，槽口两端通过两个直角形的金属条向金属框内部凹陷，连入两个相对着的直角梯形；在两梯形的中间形成一个倒的等腰梯形状的空白区，在其中加入等比例缩小的倒等腰梯形的金属贴片；辐射金属片的具体尺寸通过仿真得到。
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