電子膠囊的柔性天線技術(shù)研究進(jìn)展

王蒙軍，蔡露露，鄭宏興，楊 澤

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電子膠囊的柔性天線技術(shù)研究進(jìn)展

王蒙軍1,2，蔡露露1，鄭宏興1，楊 澤1

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2. 天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300401）

天線是實現(xiàn)人體內(nèi)部無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)與外界無線通信的重要部件。由于人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有高介電常數(shù)、高損耗等特性，因此對天線有嚴(yán)格的要求。本文對用于膠囊的柔性天線各方面研究作了總結(jié)性探討，首先介紹了實現(xiàn)柔性天線小型化的一些方法，如應(yīng)用超材料、延長電流有效路徑、加載容性或感性負(fù)載等；然后從天線帶寬、輻射模式、人體安全等方面對柔性電子膠囊天線特性進(jìn)行了總結(jié)。

電子膠囊；柔性天線；綜述；天線小型化；帶寬；輻射模式；人體比吸收率（SAR）

近年來，隨著無線體域網(wǎng)（WiBAN）的發(fā)展，醫(yī)用可植入設(shè)備獲得了廣泛關(guān)注。2001年5月，以色列吉溫成像有限公司生產(chǎn)出世界上第一個無線膠囊內(nèi)窺鏡（Wireless Capsule Endoscope：WCE）作為醫(yī)療檢測的附屬工具，后來逐漸成為檢查小腸病變的首要工具[1]。

病人從口腔攝入電子膠囊，經(jīng)過食道、胃、大腸、小腸等，最后通過自身腸蠕動排出體外。其中柔性發(fā)射天線是WCE的關(guān)鍵部分，它采集生物信息并以電磁波形式輻射出去，由接收天線接收后送到基站處理，因此該天線受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

柔性天線的基底采用的是價格低廉且易得的紙張、塑料薄膜和織物等，所以它具有可彎曲、易共形、質(zhì)量小等優(yōu)點。生物組織表面柔軟，形狀不規(guī)則，柔性天線更能貼合人體組織表面，因此柔性天線的研究對電子膠囊的發(fā)展具有重大意義。

本文對電子膠囊天線的研究作了全面總結(jié)，闡述了國內(nèi)外研究者在實現(xiàn)柔性膠囊天線設(shè)計過程中采取的技術(shù)方法，從天線尺寸、帶寬、輻射模式、人體比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)等方面進(jìn)行總結(jié)，介紹了影響天線性能的4個關(guān)鍵因素。

1 電子膠囊柔性天線小型化技術(shù)

表1列出了目前常用的植入式天線工作頻段，除了美國聯(lián)邦通信委員會(U.S.FCC)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(ETSI)規(guī)定的醫(yī)療植入通信服務(wù)(MICS, 402~405 MHz)頻段[2-3]，還包括工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段[4]、無線醫(yī)療遙測頻段以及超寬帶頻段。

表1 無線通信及醫(yī)療通信頻段

Tab.1 Wireless and medical communications band

在上述這些常用的通信服務(wù)頻帶內(nèi)，天線尺寸較大。例如，工作于MICS頻帶的半波偶極子天線，在空氣中的理論尺寸接近375 mm。雖然人體具有很高的介電常數(shù)，能大大縮小天線尺寸，但仍達(dá)不到WCE對膠囊天線尺寸的要求，為了在給定的頻帶內(nèi)減小天線的物理尺寸，需要采用一些小型化技術(shù)，本文總結(jié)了幾種柔性天線小型化技術(shù)。

1.1 引入超材料

超材料（Meta-materials）的定義是擁有自然界中材料所不具有的超常物理性質(zhì)的人工結(jié)構(gòu)。它具有三個特征：（1）由人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成；（2）超常的物理性質(zhì)；（3）超材料的性質(zhì)和功能主要來自其結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成他們的材料[5]。

2011年，文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一款貼片天線，如圖1（a）所示。輻射單元上蝕刻有互補開環(huán)諧振器（Complementary Split-Ring Resonator：CSRR），將貼片天線裹附在膠囊壁的外側(cè)，形成一個電磁屏蔽器，阻止天線和其他外部電子設(shè)備對膠囊腔體內(nèi)的電路造成電磁干擾。

（a）貼片天線???????（b）CSRR結(jié)構(gòu)

CSRR是一種具有負(fù)介電常數(shù)的超材料[7]，它的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，其中深色部分為金屬，淺色部分為縫隙。當(dāng)入射電磁波的電場方向與CSRR所在的平面垂直時，內(nèi)部金屬和外部金屬之間的金屬帶上產(chǎn)生電感，而金屬帶之間的縫隙產(chǎn)生電容。因此，在入射波的磁場驅(qū)動下CSRR將產(chǎn)生與其尺寸相關(guān)的LC諧振。

諧振頻率見公式（1）：

式中：r和r分別代表的是CSRR的等效電感和等效電容。

文獻(xiàn)[6]中，貼片天線的諧振頻率是9.16 GHz。在不改變貼片天線大小的情況下，加入CSRR并調(diào)整它的幾何參數(shù)，改變電容和電感值，將天線的諧振頻率降到2.4 GHz，實現(xiàn)天線的小型化。

1.2 延長電流路徑

天線表面的電流在更長的輻射單元上流動可以延長天線的電長度，降低天線的諧振頻率。為了實現(xiàn)更長的表面電流路徑，蜿蜒型[8-10]，螺旋形[11-12]，蛇形[13]結(jié)構(gòu)被采用。

加州大學(xué)洛杉磯分校設(shè)計了一款與膠囊頂部共形的螺旋偶極子天線（Conformal Chandelier Meandered Dipole Antenna，CCMDA）[11]，如圖2（a）所示。CCMDA天線基底采用的是RT Duroid 5880（r=2.2），厚度為0.127 mm，輻射單元的物理長度為73.8 mm，采用了蜿蜒結(jié)構(gòu)以后，尺寸減小為29 mm×5 mm。由于自由空間和人體介電常數(shù)的急劇變化，在高介電常數(shù)的人體環(huán)境中天線的電長度增大，于是天線在諧振點1.4 GHz發(fā)生失諧現(xiàn)象。為了滿足天線諧振頻率為1.4 GHz的要求，對天線的有效電長度進(jìn)行了調(diào)整，如圖2（b）所示。與最初的CCMDA天線相比，調(diào)整后的天線更加小型化。

（a）CCMDA天線?????（b）調(diào)整后的CCMDA天線

除了延長表面電流路徑外，螺旋偶極子天線利用矢量電流同向技術(shù)（Vector Current Alignment）[14]可以進(jìn)一步實現(xiàn)天線小型化。矢量電流同向即相鄰平行輻射單元具有同向的電流方向，對偶極子天線而言，相鄰平行輻射單元之間的電流方向一致性會增加天線的自感。天線的小尺寸使它具有較高的電容，通過增加電感，天線的電長度增加。文獻(xiàn)[15]中，比較了兩種不同螺旋結(jié)構(gòu)的偶極子天線，如圖3所示。圖3（a）折疊偶極子天線1（Folded Dipole Antenna1:FDA1）具有矢量電流同向特性（箭頭標(biāo)示），圖3（b）FDA2具有矢量電流反向特性（箭頭標(biāo)示）。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，11參數(shù)結(jié)果表明：FDA1諧振頻率為402 MHz，F(xiàn)DA2諧振頻率為558 MHz。

（a）FDA1天線???????（b）FDA2天線

1.3 添加感性負(fù)載或者容性負(fù)載

在天線中加入感性或者容性負(fù)載同樣可以延長天線的電長度，減小天線的尺寸。

2013年佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計了一款緊湊型感性負(fù)載柔性貼片天線，如圖4（a）所示[16]。天線可等效為一個LC諧振電路，諧振頻率的計算與公式（1）相同。貼片天線的諧振頻率為1.38 GHz，高于期望頻率433 MHz。增加電感或電容均可以減小天線的諧振頻率，但對此天線來說利用容性加載需要匹配電路，將會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。在貼片天線上減去一部分面積，增加開槽，使得天線開槽處的局部磁場密度增大，這樣開槽部分被看成是感性負(fù)載。由于在開槽處微帶寬度發(fā)生變化，特性阻抗從0變到,每個槽口的等效電感計算式為公式（2）[17]：

（a）開槽天線???????（b）等效電路

式中：0為自由空間的磁導(dǎo)率；為基底厚度。根據(jù)公式（2）可知，每對槽的電感值大約為0.1 nH。如果將天線的諧振頻率降到433 MHz，需在天線上開39對槽。開槽后天線的等效電路如圖4（b）所示。

2 天線帶寬

人體各組織間的電特性存在差異，窄帶天線在復(fù)雜的人體環(huán)境中會發(fā)生失諧現(xiàn)象。為了保證WCE正常工作，膠囊天線可以通過在原始天線本身添加結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化天線自身結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)寬頻帶性能。

2.1 在原始天線本身添加結(jié)構(gòu)

（1）引入CSRR/SRR

2016年，印度NIT的研究人員設(shè)計了一款柔性環(huán)天線[18]，天線帶寬分別覆蓋了MICS（402~405 MHz）和ISM（433~434 MHz、902~908 MHz）頻段。為了增加天線帶寬和更好地實現(xiàn)阻抗匹配，引入了CSRR和SRR結(jié)構(gòu)，通過理論分析以及利用CST進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，天線結(jié)構(gòu)如圖5（a）、（b）所示。11的對比仿真結(jié)果表明：通過引入CSRR和SRR，天線的帶寬不僅完全覆蓋了MICS、ISM頻帶，而且還覆蓋了UWB的低頻段。

（a）加載CSRR環(huán)天線???????（b）加載SRR環(huán)天線

（2）引入金屬枝節(jié)

2013年，南京理工大學(xué)設(shè)計了一種曲流偶極子天線，如圖6（a）所示[19]，基底是厚度為0.635 mm的Roger 3010（r=10.2）。在曲流偶極子中央加載一條金屬支節(jié)，通過調(diào)整金屬支節(jié)的長度，改變天線的電長度，激發(fā)出另一個諧振點，從而增加天線工作帶寬。未引入金屬支節(jié)時，天線的阻抗帶寬為100 MHz（338~438 MHz），引入金屬支節(jié)后，天線的阻抗帶寬增加了60 MHz（348~510 MHz）。

南京理工大學(xué)后來將天線的基底材料改成厚度為0.15 mm的聚酰亞胺（r=3.5），同時對天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的天線如圖6（b）所示。結(jié)果表明：不論對于普通天線還是柔性天線，引入金屬支節(jié)都可以提高天線的阻抗帶寬；同時天線彎曲后不會影響天線的性能。

（a）偶極子天線平面圖???????（b）柔性偶極子天線圖

2.2 改變天線自身結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)計為多諧振天線

多頻段諧振設(shè)計的好處是可以切換WCE的睡眠和喚醒模式，節(jié)省膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的能量消耗和延長設(shè)備的使用壽命。文獻(xiàn)[20-22]中都提到了環(huán)天線，但這些天線的工作頻帶僅僅是單頻帶，無法實現(xiàn)工作模式的切換。英國利物浦大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種帶有CSRR的環(huán)天線[23]，工作頻帶完全覆蓋了MICS、ISM多個頻帶。此款環(huán)天線中引入CSRR主要有兩個目的：1提高天線的阻抗匹配，如圖7所示。CSRR結(jié)構(gòu)具有負(fù)介電常數(shù)（呈現(xiàn)容性），能夠減小環(huán)天線電感大的部分。2增加天線的輻射效率和增益。CSRR能減小天線的近電場輻射強度，如圖8（a）和（b）所示（從外到內(nèi)表示近電場輻射強度依次增強）。當(dāng)近電場輻射強度減小時，人體組織吸收的SAR減小，天線輻射功率增加。

圖7 有無CSRRs天線的輸入阻抗曲線

（2）設(shè)計為超寬帶天線

文獻(xiàn)[24]中設(shè)計了一種超寬帶天線B1，并且在這款天線的基礎(chǔ)上優(yōu)化天線的尺寸，設(shè)計出了適合檢測兒童消化道的膠囊天線B2。這兩種天線的帶寬分別為223 MHz（306~529 MHz）和564 MHz（330~894 MH），均達(dá)到了超寬帶天線規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。B1和B2天線彎曲后粘貼在膠囊壁上，天線的性能會受到膠囊厚度和膠囊半徑的影響，因此對膠囊壁厚度以及膠囊的半徑進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明：B1和B2這兩種天線都對膠囊厚度變化以及半徑變化不敏感，給天線的制作帶來了方便。

（a）無CSRRs時電場分布 （b）有CSRRs時電場分布

3 輻射模式

WCE通過人體的消化道時，其方向和位置具有不確定性。為了便于接收天線能接收到膠囊天線輻射的信號，膠囊天線應(yīng)具備圓極化全向的輻射模式。

文獻(xiàn)[25]采用不同類型的膠囊天線建立了三種不同的通信鏈路。當(dāng)接收天線為線天線時，發(fā)射天線的角度變化就會影響通信鏈路的可靠性。由仿真結(jié)果可以得出：（1）收發(fā)天線（均為線性偶極子天線）之間的旋轉(zhuǎn)角度增加時，天線接收到的功率減小，尤其是收發(fā)天線正交時，接收到的功率為0；（2）體內(nèi)采用CCMDA天線[11]的通信鏈路中，天線無論圍繞哪個平面角度不斷發(fā)生變化，天線的接收功率幾乎不變（0.8~2.4 μW）。這說明圓極化全向輻射模式使得通信鏈路具有魯棒性。

4 安全性需求—SAR值

病人的安全問題限制了電子膠囊天線的輸入功率，SAR通常被認(rèn)為是最合適的測量標(biāo)準(zhǔn)。目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個，一個是歐洲標(biāo)準(zhǔn)2 W/kg[26]，一個是美國標(biāo)準(zhǔn)1.6 W/kg[27]。表2中總結(jié)了文獻(xiàn)中一些柔性天線的性能參數(shù)，主要針對的是輸入功率為1 W時SAR、最大可允許輸入功率c95、增益max等參數(shù)的數(shù)值。表3對國內(nèi)外典型的柔性膠囊天線的性能參數(shù)總結(jié)。

表2 柔性膠囊天線性能比較

Tab.2 Comparison of flexible capsule antenna performance

5 結(jié)束語

柔性膠囊天線在遙測生物醫(yī)療的應(yīng)用研究具有很大的實用價值。但是由于柔性膠囊天線應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，對天線的尺寸、帶寬、輻射模式以及安全方面都有要求。因此，本文對柔性膠囊天線設(shè)計的關(guān)鍵因素進(jìn)行了總結(jié)。雖然現(xiàn)有的技術(shù)能夠改善柔性膠囊天線的性能，但是天線的性能還不完善，今后可以主要從以下2個方面對天線進(jìn)行完善：

（1）小型化，由于膠囊尺寸的限制，小型化一直是膠囊天線設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)和追求的目標(biāo)，因此，未來仍需采用新的技術(shù)和方法在確保天線性能的同時減小膠囊天線的尺寸；

（2）SAR值、輸入功率和輻射功率之間的平衡，SAR隨天線輸入功率增大而增加，減小SAR值則輸入功率和輻射功率減小，從而影響通信鏈路，因此，在SAR值、輸入功率和輻射功率之間計算參數(shù)使其滿足人體安全標(biāo)準(zhǔn)和通信鏈路正常工作的共同要求。

表3 典型的柔性膠囊天線參數(shù)

Tab.3 Parameters of typical flexible capsule antennas

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（編輯：陳渝生）

Review of flexible antenna technology for electronic capsule

WANG Mengjun1,2, CAI Lulu1, ZHENG Hongxing1, YANG Ze1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices, Tianjin 300072, China)

Antenna is an important part of wireless communication between implant capsule endoscope system and the outside world. Due to the complexity of the internal structure of the human body, with high dielectric constant, high loss and other characteristics, the antenna has strict requirements. This paper makes a summary on the research of flexible antenna for capsule. Some design methods of flexible antenna miniaturization are introduced firstly, such as application of metamaterials, extension of current path, loading capacitive or inductive load. Then the characteristics of flexible electronic capsule antenna are summarized from antenna bandwidth, radiation pattern, human security and other aspects.

electronic capsule; flexible antenna; review; antenna; miniaturization; bandwidth; radiation pattern; specific absorption rate(SAR)

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.002

TN826

A

1001-2028（2017）04-0009-06

2017-01-11

王蒙軍

國家自然科學(xué)基金面上項目資助(No. 61671200)；河北省高等學(xué)校高層次人才科學(xué)研究項目資助(No. GCC2014011)

王蒙軍(1978－)，男，河北清苑人，副教授，博士，主要從事柔性電子技術(shù)、射頻微波通信方面的研究，E-mail: wangmengjun@hebut.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-04-11 10:47

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1047.002.html