用于膠囊內窺鏡的寬頻圓極化石墨烯天線設計

歐仁俠，尤明慧，房吉博，李俊瑤

（1. 吉林醫藥學院 生物醫學工程學院，吉林 吉林132013；2. 吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130018）

1 引 言

研究表明，消化系統疾病已成為威脅人體健康的主要病癥之一，醫學診斷最直接的方式就是內窺鏡檢查，但傳統的有線內窺鏡無法實現全消化道檢查，插管給患者不僅帶來痛苦，還存在交叉感染、傷害胃壁腸壁的風險。伴隨無線通信技術、智能材料、高清傳感器技術的飛速發展，膠囊內窺鏡將逐步取代傳統內窺鏡[1-2]。通過外部基站可以實時接收膠囊內窺鏡傳輸的高清圖像，傳輸速度可以達到2.5 Mb/s，能夠實現對胃、小腸和結腸等消化道的全維度成像檢查，醫生可以依據精確全面的圖像數據進行快速診斷。膠囊內窺鏡系統主要包含高清圖像傳感器、供電系統、輔助光源、處理器、通信天線等[3-5]，集信息通信、生物醫學、光電工程、信號處理技術于一體，其中用于數據傳輸的無線通信天線是膠囊內窺鏡的關鍵部分，天線的性能直接影響圖像數據傳輸的實時性和準確性[6-7]。只有提升圖像數據傳輸的幀速率，才能提高獲取圖像的分辨率，從而提高診斷病變位置的準確性，同時，膠囊內窺鏡攝入到不同的人體消化環境后對天線的性能影響較大，這就要求天線抗干擾能力強和工作帶寬較寬，因此，需要設計寬頻帶、圓極化的天線。圓極化天線可以有效降低膠囊內窺鏡在胃、小腸和結腸等消化道環境出現的極化失配[8-12]。膠囊內窺鏡天線主要包括內嵌型和共形，采用柔性介質基板制作天線并共形于膠囊外側的為共形天線，這樣可以避免占用膠囊內部空間，有利于實現天線的小型化[13]。共形天線一般通過彎曲的結構與膠囊結合，可以有效提高系統集成度，提升輻射效率與增益，但共形天線也有自身的缺點，彎曲共形過程給設計和測試帶來較大的難度，其抗干擾能力相對較弱。文獻[14-15]設計了一種用于膠囊內窺鏡系統的共形圓極化天線，將不對稱枝節或矩形單元印刷在柔性介質基板上，通過調整短枝節調節圓極化純度，天線的帶寬能夠滿足設計需求，節省了膠囊內部有限的空間，但設計和加工成本相對較高。天線內嵌于膠囊內部，能夠大大降低天線接觸人體器官的概率，提高系統設計的安全性。文獻[16]發布了一種微帶饋電的平面環形天線，由環形和內部加載的輻射單元組成，該天線可以嵌入到膠囊內部，但設計帶寬適用性有限。螺旋天線具有寬頻帶、圓極化性能易于設計等特點，但常規的螺旋天線尺寸相對較大，有文獻將共形螺旋天線與嵌入式天線組合起來，可以實現線極化與圓極化特性。文獻[17]設計了一款螺旋天線，由共形于膠囊內部的倒螺旋結構和膠囊表面偏饋偶極子組成，倒螺旋天線采取調節螺旋高度和半徑來改善阻抗匹配，主要為線極化，偏饋偶極子天線通過調整矩形枝節長度來改善阻抗匹配，主要為圓極化。石墨烯納米材料結構堅硬、導熱性好，導電性優良，在生物醫療、航天航空、無線通信、新能源等多個領域展現出較好的應用前景[18]。石墨烯材料具有優良的導電性能，其導電性是常規材料的50倍，在攝入式天線的設計中選用石墨烯材料，將有效提高天線的性能，在提高傳輸效率的同時降低介質損耗，縮小天線的體積，滿足膠囊內窺鏡對天線的小型化要求，同時也能大大增加通信距離[19]。然而，目前膠囊內窺鏡天線中使用多層石墨烯材料的案例還比較少。

2 天線結構設計

本文設計了基于石墨烯的用于膠囊內窺鏡的寬頻圓極化天線，天線結構如圖1所示，選擇Rogers RO3210介質基板作為基板，介電常數εr為10.2，損耗正切tanδ為0.003，厚度H為0.635 mm，采用標準SMA接頭，各層輻射單元和接地板的材料都使用多層石墨烯薄膜，利用多層石墨烯材料優異的導電性能可以在提高傳輸效率的同時降低介質損耗，進一步縮小天線尺寸。第1層和第2層輻射單元由4個開口圓環組成，這樣設計能夠延長表面電流流經路徑，使諧振頻率減小，滿足小型化需求。在4個開口圓環上側與對稱軸交點位置增加4個圓環，將短路探針插入圓環中間開孔，從而將第1層和第2層輻射單元有效可靠地連接起來構成復合螺旋天線。復合螺旋天線與常規螺旋天線相比，能夠更加高效地耦合電磁能量，更容易實現圓極化特性。第3層輻射單元由中心小圓環通過4個矩形條帶連接4個開口圓環組合而成，增加第3層輻射單元可以與第1層和第2層構成的復合螺旋結構相互配合，有效改善阻抗匹配并調節圓極化純度。地板為圓形結構，位于天線最下層，可以屏蔽電磁波、增加兼容性。在寬帶圓極化天線外表面鍍一層派瑞林C型生物相容材料，以防止膠囊內窺鏡意外泄露而與人體消化器官直接接觸。其厚度為0.03 mm，介電常數εr為2.95，損耗正切tanδ為0.013。為便于快速仿真優化，設計搭建單層肌肉組織環境，如圖2所示，單層肌肉組織仿真模型的總體尺寸為100 mm×100 mm×80 mm，放置天線的深度為40 mm，單層肌肉組織環境的高度為80 mm，在2.4 GHz頻點處單層肌肉組織環境的電特性為σ=1.74 S/m、εr=52.76。天線的各個參數都會影響天線的性能，根據帶寬要求，天線的初始結構尺寸如表1所示。

圖1 天線結構示意圖。（a）三維結構;（b）第1層、（c）第2層、（d）第3層輻射貼片結構參數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

圖2 單層肌肉組織仿真模型Fig.2 Simulation model of monolayer muscle tissue

表1 天線的初始結構尺寸Tab.1 Initial structural parameters of the proposed antenna

3 天線參數和性能分析

使用HFSS軟件分析天線參數對天線各項性能的影響，對主要參數，包括第1層和第2層輻射單元開口圓環的外徑R3、內徑R4、第3層輻射單元4個開口圓環內徑R9、外徑R10、石墨烯薄膜厚度、天線攝入位置，進行分析，通過調節這些參數來優化帶寬和圓極化性能。

3.1 R3、R4對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

對于復合螺旋天線，天線工作在不同的軸向模式下，復合螺旋天線的周長、相鄰線圈的距離需要滿足以下條件[20]：

軸比帶寬（Axial Ratio,AR）定義如下：

其中，P為單個開口環的周長，λg為多層介質導波長，R為復合螺旋線圈半徑，D為相鄰線圈距離，γ為傳播常數，k為磁導率，AR為軸比，Eθ、Eφ為電場分量，近似有：

分別選取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

這3種情況分析天線性能，從圖3可以看出，天線的諧振頻率隨著開口圓環尺寸的增大而向低頻段移動，在開口圓環尺寸變化過程中軸比性能仍然能夠滿足工作需求，說明開口圓環半徑的調整符合式（1）的界定，對天線的阻抗匹配影響較小。此外，軸比性能最佳點也隨著開口圓環尺寸的變化向低頻方向偏移，原因是開口圓環半徑的增加會導致復合螺旋結構電尺寸的增大，進而使諧振頻率向低頻段移動，天線的軸比性能最佳點也隨之移動。當R3=2.25 mm、R4=1.9 mm時，天線的性能最佳，阻抗匹配和圓極化純度滿足設計要求。

圖3 第1層和第2層輻射單元開口圓環的外徑R3、內徑R4對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響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層輻射單元4個開口圓環內徑R9、外徑R10對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

分別選取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這3種情況分析天線性能，從圖4中可以看出，隨著開口圓環內徑R9、外徑R10尺寸的增大，寬頻圓極化天線的諧振頻率和軸比性能最優點均向低頻段發生偏移，諧振程度也隨之增大，原因是下層輻射單元4個開口圓環尺寸的增大，能夠聚合電磁能量，增強天線的感性，影響天線的極化純度和阻抗匹配。當R9=1.05 mm、R10=1.4 mm時，天線的性能最佳，阻抗匹配和圓極化純度滿足設計要求。

圖4 第3層輻射單元4個開口圓環內徑R9、外徑R10對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響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對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

采用微米級石墨烯材料，在HFSS軟件中，石墨烯薄膜初始參數設置為厚度30μm，相對介電常數εr=4.3，電導率σ=1.11×106S/m[21]。圖5為石墨烯薄膜厚度對天線阻抗帶寬與軸比帶寬的影響圖，石墨烯薄膜厚度T為10μm、20μm、30μm。可見，石墨烯薄膜厚度對天線諧振頻率影響不大，但對諧振程度有一定影響，阻抗匹配也受到一定的影響。石墨烯薄膜厚度的增加改善了導電性能，有效地降低了介質損耗，也進一步改善了天線的阻抗匹配。當石墨烯薄膜厚度T為30μm時，阻抗匹配和圓極化純度滿足設計要求。

圖5 石墨烯薄膜厚度T對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.5 Effect of graphene coating thickness T on the antenna’s impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.4 天線攝入人體不同消化環境對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

膠囊內窺鏡的工作環境是人體的消化系統，因此，天線將在胃、小腸和結腸等人體消化器官中工作，把寬頻圓極化天線放置在CST人體高精度模型中的胃、小腸、結腸等消化器官中(見圖6)進行測試，分析天線攝入人體不同消化環境對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響，寬頻圓極化天線在不同的消化器官中的輻射特性如圖7所示，放置在胃、小腸和結腸中的天線距體表的長度分別為24 mm、33 mm、47 mm，寬頻圓極化天線在胃、小腸和結腸中阻抗帶寬均較寬，阻抗匹配較好，阻抗帶寬和軸比帶寬都能夠滿足工作需要。諧振頻率向高頻段方向有一些偏移，原因是在2.45 GHz處胃的εr=62.23、σ=2.16 S/m，小腸的εr=54.53、σ=3.13 S/m，結腸的εr=53.97、σ=2.0 S/m，胃、小腸和結腸的中的介電常數逐漸降低，電磁波的傳播速度和波長逐漸增加，從而引起諧振頻率向高頻方向偏移。

圖6 天線攝入不同消化器官位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the locations for antenna intaked in different digestive organs

圖7 天線攝入人體不同消化環境對阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.7 Influence of different digesting environments on the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.5 天線攝入人體不同消化環境的輻射特性分析

對天線攝入不同人體消化環境的輻射特性進行分析，天線攝入胃、小腸和結腸的增益和軸比曲線如圖8所示。從圖中可以看出，天線攝入胃、小腸和結腸后最大增益方向和最佳軸比角度分別為?55°、?33°、25°，天線在胃、小腸和結腸位置的最大增益為?22.4 dBi、?27.8 dBi、?35.4 dBi。天線的最大增益在胃、小腸、結腸3個位置逐漸降低，主要原因是攝入深度的增加引起的電磁能量損耗也不斷增加，從而使天線的最大增益不斷減小。天線在胃、小腸、結腸3個位置的軸比分別為2.4 dB、3.6 dB和4.9 dB，極化純度也存在一定程度的惡化，原因是人體組織模型變化較大，需要合理修改組織模型來優化軸比性能。

圖8 天線攝入不同消化器官的輻射特性。（a）胃；（b）小腸；（c）結腸Fig.8 Radiation characteristics of antenna intaked to different digestive organs.(a)Stomach;(b)small intestine;(c)colon

4 實測結果分析

采用高電導率多層石墨烯薄膜，參照仿真數據制作了天線。制作方法為首先在石墨烯薄膜上用激光雕刻機加工出各層天線的結構，之后使用氣霧噴膠將石墨烯薄膜固定在介質基板上，最后使用芯片封裝導電膠將同軸接頭和短路探針與各層天線相連接，如圖9所示。利用矢量網絡分析儀測試天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，將制作的天線放置在模擬溶液中，模擬溶液的電特性與消化系統的環境近似。實測與仿真結果如圖10所示。其中，SH代表反射系數。可見，寬頻圓極化天線的仿真阻抗帶寬為2.16~2.73 GHz，諧振頻率為2.45 GHz，實測阻抗帶寬為2.2~2.78 GHz，諧振頻率為2.46 GHz，仿真軸比帶寬為2.22~2.61 GHz，實測軸比帶寬為2.26~2.66 GHz，實測與仿真結果的一致性較好，天線工作阻抗帶寬和軸比較寬，保證了較寬的阻抗帶寬和良好的阻抗匹配。諧振點和軸比帶寬最優點向高頻段有一定偏移，偏移主要是由加工測試誤差及模擬人體消化環境引起的。天線的實際增益為?22.9 dBi，輻射性能良好，能夠克服人體消化器官的電參數對天線輻射特性的影響。

圖9 實際加工的天線Fig.9 Photo of actual antenna

圖10 仿真與實測阻抗帶寬和軸比帶寬曲線Fig.10 Simulated and measured impedance bandwidth and axial ratio bandwidth curves

由于人體消化組織會將攝入式天線包裹起來，因此需要通過分析人體組織SAR值分布來明確人體組織吸收植入式天線電磁輻射是否符合安全要求。為了綜合分析膠囊天線安全性，分析人體的平均SAR值的分布情況，將輸入功率設置為1 W，經過仿真計算，天線在胃最大1-/10-g SAR值為142.3/23.2 W/kg、在小腸最大1-/10-g SAR值為172.3/32.8 W/kg、在結腸位置的最大1-/10-g SAR值為125.3/24.6 W/kg，為了滿足IEEE及FCC對SAR值的安全標準，通過計算與測試得出，天線允許的最大1-/10-g輸入功率為9.15 mW、46.77 mW，在此輸入功率范圍內天線的電磁輻射對人體消化系統是安全的。

為了對比本文所設計天線的性能，表2將其與已發表論文中的用于膠囊內窺鏡的圓極化天線進行了比較。文獻[8]的天線采用嵌入式結構，但帶寬有限。在共形天線中，文獻[14]中的天線雖然工作帶寬較寬，但設計較為復雜，成本較高。

表 2與其他典型天線的性能比較Tab.2 Performance comparison of proposed antanna and other typical antennas

文獻[16]中天線體積較大，結構設計相對復雜，設計帶寬適用性較差。由此可知，與現有的膠囊天線相比，該天線尺寸較小，結構較為簡單，外形兼容性強，功能帶寬更寬。

5 結 論

本文設計了一種基于石墨烯的用于膠囊內窺鏡的寬頻圓極化天線，采用石墨烯材料制作天線的輻射單元和地板，使膠囊天線的工作帶寬與增益得到改善，傳輸效率提高，損耗降低；采用復合螺旋天線，產生圓極化特性，既能減少誤碼率又能抑制多徑干擾。實驗表明，第1層和第2層輻射單元開口圓環的外徑R3、內徑R4、第3層輻射單元中的4個缺口圓環外徑R10、內徑R9、石墨烯薄膜厚度、天線所處的位置等對天線帶寬和性能都會產生影響。天線體積僅為π×4.52×1.905 mm3，尺寸較小，對天線進行了加工和實測，實測阻抗帶寬為2.2~2.78 GHz，軸比帶寬為2.26~2.66 GHz，增益為?22.9 dBi，實際測量與仿真結果吻合良好，其在工作頻段內輻射特性穩定，結構簡單，加工方便，電磁兼容性好，具備一定的抗干擾能力，適用于ISM 2.4 GHz頻段，能滿足膠囊內窺鏡攝入不同消化器官的工作要求。