用于胶囊内窥镜的宽频圆极化石墨烯天线设计

欧仁侠，尤明慧，房吉博，李俊瑶

（1. 吉林医药学院 生物医学工程学院，吉林 吉林132013；2. 吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130018）

1 引 言

研究表明，消化系统疾病已成为威胁人体健康的主要病症之一，医学诊断最直接的方式就是内窥镜检查，但传统的有线内窥镜无法实现全消化道检查，插管给患者不仅带来痛苦，还存在交叉感染、伤害胃壁肠壁的风险。伴随无线通信技术、智能材料、高清传感器技术的飞速发展，胶囊内窥镜将逐步取代传统内窥镜[1-2]。通过外部基站可以实时接收胶囊内窥镜传输的高清图像，传输速度可以达到2.5 Mb/s，能够实现对胃、小肠和结肠等消化道的全维度成像检查，医生可以依据精确全面的图像数据进行快速诊断。胶囊内窥镜系统主要包含高清图像传感器、供电系统、辅助光源、处理器、通信天线等[3-5]，集信息通信、生物医学、光电工程、信号处理技术于一体，其中用于数据传输的无线通信天线是胶囊内窥镜的关键部分，天线的性能直接影响图像数据传输的实时性和准确性[6-7]。只有提升图像数据传输的帧速率，才能提高获取图像的分辨率，从而提高诊断病变位置的准确性，同时，胶囊内窥镜摄入到不同的人体消化环境后对天线的性能影响较大，这就要求天线抗干扰能力强和工作带宽较宽，因此，需要设计宽频带、圆极化的天线。圆极化天线可以有效降低胶囊内窥镜在胃、小肠和结肠等消化道环境出现的极化失配[8-12]。胶囊内窥镜天线主要包括内嵌型和共形，采用柔性介质基板制作天线并共形于胶囊外侧的为共形天线，这样可以避免占用胶囊内部空间，有利于实现天线的小型化[13]。共形天线一般通过弯曲的结构与胶囊结合，可以有效提高系统集成度，提升辐射效率与增益，但共形天线也有自身的缺点，弯曲共形过程给设计和测试带来较大的难度，其抗干扰能力相对较弱。文献[14-15]设计了一种用于胶囊内窥镜系统的共形圆极化天线，将不对称枝节或矩形单元印刷在柔性介质基板上，通过调整短枝节调节圆极化纯度，天线的带宽能够满足设计需求，节省了胶囊内部有限的空间，但设计和加工成本相对较高。天线内嵌于胶囊内部，能够大大降低天线接触人体器官的概率，提高系统设计的安全性。文献[16]发布了一种微带馈电的平面环形天线，由环形和内部加载的辐射单元组成，该天线可以嵌入到胶囊内部，但设计带宽适用性有限。螺旋天线具有宽频带、圆极化性能易于设计等特点，但常规的螺旋天线尺寸相对较大，有文献将共形螺旋天线与嵌入式天线组合起来，可以实现线极化与圆极化特性。文献[17]设计了一款螺旋天线，由共形于胶囊内部的倒螺旋结构和胶囊表面偏馈偶极子组成，倒螺旋天线采取调节螺旋高度和半径来改善阻抗匹配，主要为线极化，偏馈偶极子天线通过调整矩形枝节长度来改善阻抗匹配，主要为圆极化。石墨烯纳米材料结构坚硬、导热性好，导电性优良，在生物医疗、航天航空、无线通信、新能源等多个领域展现出较好的应用前景[18]。石墨烯材料具有优良的导电性能，其导电性是常规材料的50倍，在摄入式天线的设计中选用石墨烯材料，将有效提高天线的性能，在提高传输效率的同时降低介质损耗，缩小天线的体积，满足胶囊内窥镜对天线的小型化要求，同时也能大大增加通信距离[19]。然而，目前胶囊内窥镜天线中使用多层石墨烯材料的案例还比较少。

2 天线结构设计

本文设计了基于石墨烯的用于胶囊内窥镜的宽频圆极化天线，天线结构如图1所示，选择Rogers RO3210介质基板作为基板，介电常数εr为10.2，损耗正切tanδ为0.003，厚度H为0.635 mm，采用标准SMA接头，各层辐射单元和接地板的材料都使用多层石墨烯薄膜，利用多层石墨烯材料优异的导电性能可以在提高传输效率的同时降低介质损耗，进一步缩小天线尺寸。第1层和第2层辐射单元由4个开口圆环组成，这样设计能够延长表面电流流经路径，使谐振频率减小，满足小型化需求。在4个开口圆环上侧与对称轴交点位置增加4个圆环，将短路探针插入圆环中间开孔，从而将第1层和第2层辐射单元有效可靠地连接起来构成复合螺旋天线。复合螺旋天线与常规螺旋天线相比，能够更加高效地耦合电磁能量，更容易实现圆极化特性。第3层辐射单元由中心小圆环通过4个矩形条带连接4个开口圆环组合而成，增加第3层辐射单元可以与第1层和第2层构成的复合螺旋结构相互配合，有效改善阻抗匹配并调节圆极化纯度。地板为圆形结构，位于天线最下层，可以屏蔽电磁波、增加兼容性。在宽带圆极化天线外表面镀一层派瑞林C型生物相容材料，以防止胶囊内窥镜意外泄露而与人体消化器官直接接触。其厚度为0.03 mm，介电常数εr为2.95，损耗正切tanδ为0.013。为便于快速仿真优化，设计搭建单层肌肉组织环境，如图2所示，单层肌肉组织仿真模型的总体尺寸为100 mm×100 mm×80 mm，放置天线的深度为40 mm，单层肌肉组织环境的高度为80 mm，在2.4 GHz频点处单层肌肉组织环境的电特性为σ=1.74 S/m、εr=52.76。天线的各个参数都会影响天线的性能，根据带宽要求，天线的初始结构尺寸如表1所示。

图1 天线结构示意图。（a）三维结构;（b）第1层、（c）第2层、（d）第3层辐射贴片结构参数Fig.1 Schematic diagram of the antenna structure.(a)Three-dimensional structure;structure parameters of(b)the first,(c)the second,and(d)the third radiation patchs

图2 单层肌肉组织仿真模型Fig.2 Simulation model of monolayer muscle tissue

表1 天线的初始结构尺寸Tab.1 Initial structural parameters of the proposed antenna

3 天线参数和性能分析

使用HFSS软件分析天线参数对天线各项性能的影响，对主要参数，包括第1层和第2层辐射单元开口圆环的外径R3、内径R4、第3层辐射单元4个开口圆环内径R9、外径R10、石墨烯薄膜厚度、天线摄入位置，进行分析，通过调节这些参数来优化带宽和圆极化性能。

3.1 R3、R4对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响

对于复合螺旋天线，天线工作在不同的轴向模式下，复合螺旋天线的周长、相邻线圈的距离需要满足以下条件[20]：

轴比带宽（Axial Ratio,AR）定义如下：

其中，P为单个开口环的周长，λg为多层介质导波长，R为复合螺旋线圈半径，D为相邻线圈距离，γ为传播常数，k为磁导率，AR为轴比，Eθ、Eφ为电场分量，近似有：

分别选取R3=2.15 mm、R4=1.8 mm；R3=2.25 mm、R4=1.9 mm和R3=2.35 mm、R4=2.0 mm

这3种情况分析天线性能，从图3可以看出，天线的谐振频率随着开口圆环尺寸的增大而向低频段移动，在开口圆环尺寸变化过程中轴比性能仍然能够满足工作需求，说明开口圆环半径的调整符合式（1）的界定，对天线的阻抗匹配影响较小。此外，轴比性能最佳点也随着开口圆环尺寸的变化向低频方向偏移，原因是开口圆环半径的增加会导致复合螺旋结构电尺寸的增大，进而使谐振频率向低频段移动，天线的轴比性能最佳点也随之移动。当R3=2.25 mm、R4=1.9 mm时，天线的性能最佳，阻抗匹配和圆极化纯度满足设计要求。

图3 第1层和第2层辐射单元开口圆环的外径R3、内径R4对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响Fig.3 Influence of theinner diameter R4 and outer diameter R3 of open rings in the first and second lagers radiation units on the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.2 第3层辐射单元4个开口圆环内径R9、外径R10对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响

分别选取R9=0.95 mm、R10=1.3 mm、R9=1.05 mm、R10=1.4 mm和R9=1.15 mm、R10=1.5 mm这3种情况分析天线性能，从图4中可以看出，随着开口圆环内径R9、外径R10尺寸的增大，宽频圆极化天线的谐振频率和轴比性能最优点均向低频段发生偏移，谐振程度也随之增大，原因是下层辐射单元4个开口圆环尺寸的增大，能够聚合电磁能量，增强天线的感性，影响天线的极化纯度和阻抗匹配。当R9=1.05 mm、R10=1.4 mm时，天线的性能最佳，阻抗匹配和圆极化纯度满足设计要求。

图4 第3层辐射单元4个开口圆环内径R9、外径R10对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响Fig.4 Influence of the inner diameter R9 and outer diameter R10 of four open rings in the third layer radiation unit on the antenna’s impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.3 石墨烯薄膜厚度T对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响

采用微米级石墨烯材料，在HFSS软件中，石墨烯薄膜初始参数设置为厚度30μm，相对介电常数εr=4.3，电导率σ=1.11×106S/m[21]。图5为石墨烯薄膜厚度对天线阻抗带宽与轴比带宽的影响图，石墨烯薄膜厚度T为10μm、20μm、30μm。可见，石墨烯薄膜厚度对天线谐振频率影响不大，但对谐振程度有一定影响，阻抗匹配也受到一定的影响。石墨烯薄膜厚度的增加改善了导电性能，有效地降低了介质损耗，也进一步改善了天线的阻抗匹配。当石墨烯薄膜厚度T为30μm时，阻抗匹配和圆极化纯度满足设计要求。

图5 石墨烯薄膜厚度T对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响Fig.5 Effect of graphene coating thickness T on the antenna’s impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.4 天线摄入人体不同消化环境对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响

胶囊内窥镜的工作环境是人体的消化系统，因此，天线将在胃、小肠和结肠等人体消化器官中工作，把宽频圆极化天线放置在CST人体高精度模型中的胃、小肠、结肠等消化器官中(见图6)进行测试，分析天线摄入人体不同消化环境对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，宽频圆极化天线在不同的消化器官中的辐射特性如图7所示，放置在胃、小肠和结肠中的天线距体表的长度分别为24 mm、33 mm、47 mm，宽频圆极化天线在胃、小肠和结肠中阻抗带宽均较宽，阻抗匹配较好，阻抗带宽和轴比带宽都能够满足工作需要。谐振频率向高频段方向有一些偏移，原因是在2.45 GHz处胃的εr=62.23、σ=2.16 S/m，小肠的εr=54.53、σ=3.13 S/m，结肠的εr=53.97、σ=2.0 S/m，胃、小肠和结肠的中的介电常数逐渐降低，电磁波的传播速度和波长逐渐增加，从而引起谐振频率向高频方向偏移。

图6 天线摄入不同消化器官位置示意图Fig.6 Schematic diagram of the locations for antenna intaked in different digestive organs

图7 天线摄入人体不同消化环境对阻抗带宽和轴比带宽的影响Fig.7 Influence of different digesting environments on the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.5 天线摄入人体不同消化环境的辐射特性分析

对天线摄入不同人体消化环境的辐射特性进行分析，天线摄入胃、小肠和结肠的增益和轴比曲线如图8所示。从图中可以看出，天线摄入胃、小肠和结肠后最大增益方向和最佳轴比角度分别为−55°、−33°、25°，天线在胃、小肠和结肠位置的最大增益为−22.4 dBi、−27.8 dBi、−35.4 dBi。天线的最大增益在胃、小肠、结肠3个位置逐渐降低，主要原因是摄入深度的增加引起的电磁能量损耗也不断增加，从而使天线的最大增益不断减小。天线在胃、小肠、结肠3个位置的轴比分别为2.4 dB、3.6 dB和4.9 dB，极化纯度也存在一定程度的恶化，原因是人体组织模型变化较大，需要合理修改组织模型来优化轴比性能。

图8 天线摄入不同消化器官的辐射特性。（a）胃；（b）小肠；（c）结肠Fig.8 Radiation characteristics of antenna intaked to different digestive organs.(a)Stomach;(b)small intestine;(c)colon

4 实测结果分析

采用高电导率多层石墨烯薄膜，参照仿真数据制作了天线。制作方法为首先在石墨烯薄膜上用激光雕刻机加工出各层天线的结构，之后使用气雾喷胶将石墨烯薄膜固定在介质基板上，最后使用芯片封装导电胶将同轴接头和短路探针与各层天线相连接，如图9所示。利用矢量网络分析仪测试天线的阻抗带宽和轴比带宽，将制作的天线放置在模拟溶液中，模拟溶液的电特性与消化系统的环境近似。实测与仿真结果如图10所示。其中，SH代表反射系数。可见，宽频圆极化天线的仿真阻抗带宽为2.16~2.73 GHz，谐振频率为2.45 GHz，实测阻抗带宽为2.2~2.78 GHz，谐振频率为2.46 GHz，仿真轴比带宽为2.22~2.61 GHz，实测轴比带宽为2.26~2.66 GHz，实测与仿真结果的一致性较好，天线工作阻抗带宽和轴比较宽，保证了较宽的阻抗带宽和良好的阻抗匹配。谐振点和轴比带宽最优点向高频段有一定偏移，偏移主要是由加工测试误差及模拟人体消化环境引起的。天线的实际增益为−22.9 dBi，辐射性能良好，能够克服人体消化器官的电参数对天线辐射特性的影响。

图9 实际加工的天线Fig.9 Photo of actual antenna

图10 仿真与实测阻抗带宽和轴比带宽曲线Fig.10 Simulated and measured impedance bandwidth and axial ratio bandwidth curves

由于人体消化组织会将摄入式天线包裹起来，因此需要通过分析人体组织SAR值分布来明确人体组织吸收植入式天线电磁辐射是否符合安全要求。为了综合分析胶囊天线安全性，分析人体的平均SAR值的分布情况，将输入功率设置为1 W，经过仿真计算，天线在胃最大1-/10-g SAR值为142.3/23.2 W/kg、在小肠最大1-/10-g SAR值为172.3/32.8 W/kg、在结肠位置的最大1-/10-g SAR值为125.3/24.6 W/kg，为了满足IEEE及FCC对SAR值的安全标准，通过计算与测试得出，天线允许的最大1-/10-g输入功率为9.15 mW、46.77 mW，在此输入功率范围内天线的电磁辐射对人体消化系统是安全的。

为了对比本文所设计天线的性能，表2将其与已发表论文中的用于胶囊内窥镜的圆极化天线进行了比较。文献[8]的天线采用嵌入式结构，但带宽有限。在共形天线中，文献[14]中的天线虽然工作带宽较宽，但设计较为复杂，成本较高。

表 2与其他典型天线的性能比较Tab.2 Performance comparison of proposed antanna and other typical antennas

文献[16]中天线体积较大，结构设计相对复杂，设计带宽适用性较差。由此可知，与现有的胶囊天线相比，该天线尺寸较小，结构较为简单，外形兼容性强，功能带宽更宽。

5 结 论

本文设计了一种基于石墨烯的用于胶囊内窥镜的宽频圆极化天线，采用石墨烯材料制作天线的辐射单元和地板，使胶囊天线的工作带宽与增益得到改善，传输效率提高，损耗降低；采用复合螺旋天线，产生圆极化特性，既能减少误码率又能抑制多径干扰。实验表明，第1层和第2层辐射单元开口圆环的外径R3、内径R4、第3层辐射单元中的4个缺口圆环外径R10、内径R9、石墨烯薄膜厚度、天线所处的位置等对天线带宽和性能都会产生影响。天线体积仅为π×4.52×1.905 mm3，尺寸较小，对天线进行了加工和实测，实测阻抗带宽为2.2~2.78 GHz，轴比带宽为2.26~2.66 GHz，增益为−22.9 dBi，实际测量与仿真结果吻合良好，其在工作频段内辐射特性稳定，结构简单，加工方便，电磁兼容性好，具备一定的抗干扰能力，适用于ISM 2.4 GHz频段，能满足胶囊内窥镜摄入不同消化器官的工作要求。