王蒙军，蔡露露，郑宏兴，杨 泽



电子胶囊的柔性天线技术研究进展

王蒙军1,2，蔡露露1，郑宏兴1，杨 泽1

（1. 河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2. 天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401）

天线是实现人体内部无线胶囊内窥镜系统与外界无线通信的重要部件。由于人体内部组织结构复杂，具有高介电常数、高损耗等特性，因此对天线有严格的要求。本文对用于胶囊的柔性天线各方面研究作了总结性探讨，首先介绍了实现柔性天线小型化的一些方法，如应用超材料、延长电流有效路径、加载容性或感性负载等；然后从天线带宽、辐射模式、人体安全等方面对柔性电子胶囊天线特性进行了总结。

电子胶囊；柔性天线；综述；天线小型化；带宽；辐射模式；人体比吸收率（SAR）

近年来，随着无线体域网（WiBAN）的发展，医用可植入设备获得了广泛关注。2001年5月，以色列吉温成像有限公司生产出世界上第一个无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscope：WCE）作为医疗检测的附属工具，后来逐渐成为检查小肠病变的首要工具[1]。

病人从口腔摄入电子胶囊，经过食道、胃、大肠、小肠等，最后通过自身肠蠕动排出体外。其中柔性发射天线是WCE的关键部分，它采集生物信息并以电磁波形式辐射出去，由接收天线接收后送到基站处理，因此该天线受到了学者们的广泛关注。

柔性天线的基底采用的是价格低廉且易得的纸张、塑料薄膜和织物等，所以它具有可弯曲、易共形、质量小等优点。生物组织表面柔软，形状不规则，柔性天线更能贴合人体组织表面，因此柔性天线的研究对电子胶囊的发展具有重大意义。

本文对电子胶囊天线的研究作了全面总结，阐述了国内外研究者在实现柔性胶囊天线设计过程中采取的技术方法，从天线尺寸、带宽、辐射模式、人体比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)等方面进行总结，介绍了影响天线性能的4个关键因素。

1 电子胶囊柔性天线小型化技术

表1列出了目前常用的植入式天线工作频段，除了美国联邦通信委员会(U.S.FCC)和欧洲电信标准委员会(ETSI)规定的医疗植入通信服务(MICS, 402~405 MHz)频段[2-3]，还包括工业科学医学频段[4]、无线医疗遥测频段以及超宽带频段。

表1 无线通信及医疗通信频段

Tab.1 Wireless and medical communications band

在上述这些常用的通信服务频带内，天线尺寸较大。例如，工作于MICS频带的半波偶极子天线，在空气中的理论尺寸接近375 mm。虽然人体具有很高的介电常数，能大大缩小天线尺寸，但仍达不到WCE对胶囊天线尺寸的要求，为了在给定的频带内减小天线的物理尺寸，需要采用一些小型化技术，本文总结了几种柔性天线小型化技术。

1.1 引入超材料

超材料（Meta-materials）的定义是拥有自然界中材料所不具有的超常物理性质的人工结构。它具有三个特征：（1）由人工微结构单元构成；（2）超常的物理性质；（3）超材料的性质和功能主要来自其结构而非构成他们的材料[5]。

2011年，文献[6]设计了一款贴片天线，如图1（a）所示。辐射单元上蚀刻有互补开环谐振器（Complementary Split-Ring Resonator：CSRR），将贴片天线裹附在胶囊壁的外侧，形成一个电磁屏蔽器，阻止天线和其他外部电子设备对胶囊腔体内的电路造成电磁干扰。

（a）贴片天线       （b）CSRR结构

CSRR是一种具有负介电常数的超材料[7]，它的结构如图1（b）所示，其中深色部分为金属，浅色部分为缝隙。当入射电磁波的电场方向与CSRR所在的平面垂直时，内部金属和外部金属之间的金属带上产生电感，而金属带之间的缝隙产生电容。因此，在入射波的磁场驱动下CSRR将产生与其尺寸相关的LC谐振。

谐振频率见公式（1）：

式中：r和r分别代表的是CSRR的等效电感和等效电容。

文献[6]中，贴片天线的谐振频率是9.16 GHz。在不改变贴片天线大小的情况下，加入CSRR并调整它的几何参数，改变电容和电感值，将天线的谐振频率降到2.4 GHz，实现天线的小型化。

1.2 延长电流路径

天线表面的电流在更长的辐射单元上流动可以延长天线的电长度，降低天线的谐振频率。为了实现更长的表面电流路径，蜿蜒型[8-10]，螺旋形[11-12]，蛇形[13]结构被采用。

加州大学洛杉矶分校设计了一款与胶囊顶部共形的螺旋偶极子天线（Conformal Chandelier Meandered Dipole Antenna，CCMDA）[11]，如图2（a）所示。CCMDA天线基底采用的是RT Duroid 5880（r=2.2），厚度为0.127 mm，辐射单元的物理长度为73.8 mm，采用了蜿蜒结构以后，尺寸减小为29 mm×5 mm。由于自由空间和人体介电常数的急剧变化，在高介电常数的人体环境中天线的电长度增大，于是天线在谐振点1.4 GHz发生失谐现象。为了满足天线谐振频率为1.4 GHz的要求，对天线的有效电长度进行了调整，如图2（b）所示。与最初的CCMDA天线相比，调整后的天线更加小型化。

（a）CCMDA天线     （b）调整后的CCMDA天线

除了延长表面电流路径外，螺旋偶极子天线利用矢量电流同向技术（Vector Current Alignment）[14]可以进一步实现天线小型化。矢量电流同向即相邻平行辐射单元具有同向的电流方向，对偶极子天线而言，相邻平行辐射单元之间的电流方向一致性会增加天线的自感。天线的小尺寸使它具有较高的电容，通过增加电感，天线的电长度增加。文献[15]中，比较了两种不同螺旋结构的偶极子天线，如图3所示。图3（a）折叠偶极子天线1（Folded Dipole Antenna1:FDA1）具有矢量电流同向特性（箭头标示），图3（b）FDA2具有矢量电流反向特性（箭头标示）。利用HFSS软件进行仿真，11参数结果表明：FDA1谐振频率为402 MHz，FDA2谐振频率为558 MHz。

（a）FDA1天线       （b）FDA2天线

1.3 添加感性负载或者容性负载

在天线中加入感性或者容性负载同样可以延长天线的电长度，减小天线的尺寸。

2013年佛罗里达大学设计了一款紧凑型感性负载柔性贴片天线，如图4（a）所示[16]。天线可等效为一个LC谐振电路，谐振频率的计算与公式（1）相同。贴片天线的谐振频率为1.38 GHz，高于期望频率433 MHz。增加电感或电容均可以减小天线的谐振频率，但对此天线来说利用容性加载需要匹配电路，将会增加系统的复杂性。在贴片天线上减去一部分面积，增加开槽，使得天线开槽处的局部磁场密度增大，这样开槽部分被看成是感性负载。由于在开槽处微带宽度发生变化，特性阻抗从0变到,每个槽口的等效电感计算式为公式（2）[17]：

（a）开槽天线       （b）等效电路

式中：0为自由空间的磁导率；为基底厚度。根据公式（2）可知，每对槽的电感值大约为0.1 nH。如果将天线的谐振频率降到433 MHz，需在天线上开39对槽。开槽后天线的等效电路如图4（b）所示。

2 天线带宽

人体各组织间的电特性存在差异，窄带天线在复杂的人体环境中会发生失谐现象。为了保证WCE正常工作，胶囊天线可以通过在原始天线本身添加结构或者优化天线自身结构的方式实现宽频带性能。

2.1 在原始天线本身添加结构

（1）引入CSRR/SRR

2016年，印度NIT的研究人员设计了一款柔性环天线[18]，天线带宽分别覆盖了MICS（402~405 MHz）和ISM（433~434 MHz、902~908 MHz）频段。为了增加天线带宽和更好地实现阻抗匹配，引入了CSRR和SRR结构，通过理论分析以及利用CST进行参数优化，天线结构如图5（a）、（b）所示。11的对比仿真结果表明：通过引入CSRR和SRR，天线的带宽不仅完全覆盖了MICS、ISM频带，而且还覆盖了UWB的低频段。

（a）加载CSRR环天线       （b）加载SRR环天线

（2）引入金属枝节

2013年，南京理工大学设计了一种曲流偶极子天线，如图6（a）所示[19]，基底是厚度为0.635 mm的Roger 3010（r=10.2）。在曲流偶极子中央加载一条金属支节，通过调整金属支节的长度，改变天线的电长度，激发出另一个谐振点，从而增加天线工作带宽。未引入金属支节时，天线的阻抗带宽为100 MHz（338~438 MHz），引入金属支节后，天线的阻抗带宽增加了60 MHz（348~510 MHz）。

南京理工大学后来将天线的基底材料改成厚度为0.15 mm的聚酰亚胺（r=3.5），同时对天线的参数进行优化，优化后的天线如图6（b）所示。结果表明：不论对于普通天线还是柔性天线，引入金属支节都可以提高天线的阻抗带宽；同时天线弯曲后不会影响天线的性能。

（a）偶极子天线平面图       （b）柔性偶极子天线图

2.2 改变天线自身结构

（1）设计为多谐振天线

多频段谐振设计的好处是可以切换WCE的睡眠和唤醒模式，节省胶囊内窥镜系统的能量消耗和延长设备的使用寿命。文献[20-22]中都提到了环天线，但这些天线的工作频带仅仅是单频带，无法实现工作模式的切换。英国利物浦大学的研究人员设计了一种带有CSRR的环天线[23]，工作频带完全覆盖了MICS、ISM多个频带。此款环天线中引入CSRR主要有两个目的：1提高天线的阻抗匹配，如图7所示。CSRR结构具有负介电常数（呈现容性），能够减小环天线电感大的部分。2增加天线的辐射效率和增益。CSRR能减小天线的近电场辐射强度，如图8（a）和（b）所示（从外到内表示近电场辐射强度依次增强）。当近电场辐射强度减小时，人体组织吸收的SAR减小，天线辐射功率增加。

图7 有无CSRRs天线的输入阻抗曲线

（2）设计为超宽带天线

文献[24]中设计了一种超宽带天线B1，并且在这款天线的基础上优化天线的尺寸，设计出了适合检测儿童消化道的胶囊天线B2。这两种天线的带宽分别为223 MHz（306~529 MHz）和564 MHz（330~894 MH），均达到了超宽带天线规定的标准。B1和B2天线弯曲后粘贴在胶囊壁上，天线的性能会受到胶囊厚度和胶囊半径的影响，因此对胶囊壁厚度以及胶囊的半径进行了研究。实验结果表明：B1和B2这两种天线都对胶囊厚度变化以及半径变化不敏感，给天线的制作带来了方便。

（a）无CSRRs时电场分布 （b）有CSRRs时电场分布

3 辐射模式

WCE通过人体的消化道时，其方向和位置具有不确定性。为了便于接收天线能接收到胶囊天线辐射的信号，胶囊天线应具备圆极化全向的辐射模式。

文献[25]采用不同类型的胶囊天线建立了三种不同的通信链路。当接收天线为线天线时，发射天线的角度变化就会影响通信链路的可靠性。由仿真结果可以得出：（1）收发天线（均为线性偶极子天线）之间的旋转角度增加时，天线接收到的功率减小，尤其是收发天线正交时，接收到的功率为0；（2）体内采用CCMDA天线[11]的通信链路中，天线无论围绕哪个平面角度不断发生变化，天线的接收功率几乎不变（0.8~2.4 μW）。这说明圆极化全向辐射模式使得通信链路具有鲁棒性。

4 安全性需求—SAR值

病人的安全问题限制了电子胶囊天线的输入功率，SAR通常被认为是最合适的测量标准。目前国际通用的标准有两个，一个是欧洲标准2 W/kg[26]，一个是美国标准1.6 W/kg[27]。表2中总结了文献中一些柔性天线的性能参数，主要针对的是输入功率为1 W时SAR、最大可允许输入功率c95、增益max等参数的数值。表3对国内外典型的柔性胶囊天线的性能参数总结。

表2 柔性胶囊天线性能比较

Tab.2 Comparison of flexible capsule antenna performance

5 结束语

柔性胶囊天线在遥测生物医疗的应用研究具有很大的实用价值。但是由于柔性胶囊天线应用环境的复杂性，对天线的尺寸、带宽、辐射模式以及安全方面都有要求。因此，本文对柔性胶囊天线设计的关键因素进行了总结。虽然现有的技术能够改善柔性胶囊天线的性能，但是天线的性能还不完善，今后可以主要从以下2个方面对天线进行完善：

（1）小型化，由于胶囊尺寸的限制，小型化一直是胶囊天线设计面临的挑战和追求的目标，因此，未来仍需采用新的技术和方法在确保天线性能的同时减小胶囊天线的尺寸；

（2）SAR值、输入功率和辐射功率之间的平衡，SAR随天线输入功率增大而增加，减小SAR值则输入功率和辐射功率减小，从而影响通信链路，因此，在SAR值、输入功率和辐射功率之间计算参数使其满足人体安全标准和通信链路正常工作的共同要求。

表3 典型的柔性胶囊天线参数

Tab.3 Parameters of typical flexible capsule antennas

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（编辑：陈渝生）

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

王蒙军

国家自然科学基金面上项目资助(No. 61671200)；河北省高等学校高层次人才科学研究项目资助(No. GCC2014011)

王蒙军(1978－)，男，河北清苑人，副教授，博士，主要从事柔性电子技术、射频微波通信方面的研究，E-mail: wangmengjun@hebut.edu.cn。

网络出版时间：2017-04-11 10:47

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