CN115380436A - 包括用于覆盖用户皮肤的元件的贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于近场辐射的贴片天线(28)。该贴片天线包括具有旨在覆盖用户皮肤的表面的元件(52)。而且，旨在覆盖所述皮肤的所述元件(52)被设置为使得所述天线(28)的阻抗匹配皮肤的阻抗。

Description

包括用于覆盖用户皮肤的元件的贴片天线

技术领域

本发明涉及向人类对象辐射电磁波。其具体涉及一种用于毫米波近场辐射的贴片天线。

背景技术

由根据本申请人名下的专利申请FR1758634的现有技术已知一种贴片天线，其包括贴片阵列，并且能够以高于0.5mW/cm²的功率密度向至少连续的2.5平方厘米的用户皮肤表面辐射毫米波。该天线由设备中的专用集成电路(“ASIC”s)供电，以向皮肤辐射毫米波而达到治疗目的，特别是为了治疗慢性疼痛。

然而，天线的效率，即波到皮肤的传输与专用集成电路提供的功率之间的比值低下。此外，测试协议适用于向空气而非皮肤辐射的天线。因此天线在可测试性方面有困难。

发明内容

本发明的一个目的尤其在于改善天线效率。另一目的在于改善天线的可测试性。

为此，根据本发明，提供了一种用于近场辐射的贴片天线，其包括具有旨在覆盖用户皮肤表面的元件，该元件被设置为使得天线的阻抗匹配皮肤的阻抗。

所谓“天线”，指的是天线网络、辐射贴片，或更具一般性地是直接与发射辐射有关的任何部件或部件组。在没有旨在覆盖皮肤的元件的情况下，天线适于将电磁辐射向外传输给空气，并可用传统协议来测试。在具有所述元件的情况下，由于该元件起到阻抗转换器的作用，使天线的阻抗适配于用户皮肤的阻抗，从而避免传输损失，大幅度改善天线辐射到皮肤的效率。由此，天线性能及其可测试性得到改善。

优选地，当电磁波以61.25千兆赫的频率穿过所述元件时，所述元件的固有阻抗值位于空气的固有阻抗值与干燥皮肤的固有阻抗值之间，后者是干燥皮肤的8–j11欧姆的复介电常数推导出的。

由此，阻抗变换是通过将所述元件设计为使其固有阻抗值位于空气的阻抗和干燥皮肤的阻抗之间来进行的。因此，该元件的阻抗在不带该元件的天线所布置的空气的阻抗与天线穿过该元件辐射向的皮肤的阻抗之间起中介的作用。

有利地，所述元件包括生物相容性材料。

由此，所述元件适于与用户皮肤进行可以忍受的接触。

优选地，所述元件仅包括聚碳酸酯，该元件的厚度数值位于0.5mm至3mm之间，厚度数值优选地为0.6mm、或0.6mm加上当电磁波穿过该元件时的半波长的整数倍。

由此，所述元件的厚度被设置为使得在该元件占用最小空间的同时该元件的阻抗尽可能合适。

有利地，所述元件包括小于或等于4的介电常数，和小于或等于0.2的耗散因数。

这些是与所述元件的阻抗有关的数值范围，使得该元件完全起到它作为天线与皮肤之间的阻抗适配器的作用。

优选地，所述天线包括等于或小于10cm²的主面积数值。

由此，所述天线特别小，因此可容易地集成到电磁辐射传输模块中。

有利地，所述天线包括至少八个用于辐射电磁波的贴片设备，这些设备位于相同基板上并彼此分隔2.4至2.5mm的距离数值，这八个设备能够暴露于0.625cm²至1cm²的连续面积的电磁辐射。

由此，所述贴片设备是所述天线的辐射元件。换句话说，所述天线是天线网络，每个贴片可视为该网络不可分割的天线。这些贴片被设置为使得天线网络将连续面积暴露于辐射。贴片设备之间的距离对应于大约60千兆赫的发射到空的空间的波的半波长，以进一步改善天线的效率及其辐射的均一性。

优选地，为了改善辐射的均匀性，所述贴片设备被设置为分阶段(in phase，分相位)辐射。

有利地，所述天线包括具有基板的印刷电路板，当电磁波以61.25千兆赫的频率穿过所述元件时，该基板的介电常数数值为2.9至3.1，耗散因数数值为0.0010至0.0020，基板的层厚数值为0.1至0.6mm，优选地为0.2至0.3mm，总的基板组装厚度介于0.5至1.6mm之间。

这些特征改善了所述天线发射的辐射的效率。

优选地，所述天线在基板的所有边缘处包括通孔栅栏(via fences)，所述栅栏的通孔具有大于或等于175微米的直径数值，通孔之间的间距数值大于或等于300微米。

由此，与在通孔更小的情况下所需的通孔的数量相比，减少了所需的通孔的数量减少，因此降低了生产成本。

有利地，由所述通孔栅栏形成腔，该腔被设置为使得腔的谐振频率数值在从55至65千兆赫的频率范围之外。

由此，所发射的波不受腔的干扰。为了实现该设置，可调整所述通孔的定位。

此外，根据之前提到的本申请人名下的专利申请FR1758634，已知能够发射毫米波的手环，其在患者手腕处包括大于0.5mW/cm²的表面功率密度，目的尤其在于治疗患者的慢性疼痛。该手环包括波发射模块，其包括专用于生成毫米波辐射的四个专用集成电路(ASICs)。这些电路每个供给辐射给四个平面天线。这些天线允许患者手腕皮肤表面的连续2.5厘米的波暴露。集成在手环中的所述模块的尺寸为37毫米长度、20毫米宽度和3毫米厚度。

然而，由于这些尺寸，该集成在手环中的刚性模块不能够以最佳的方式贴合患者手腕的形状，使得在皮肤与手环之间形成空气间隙，降低天线辐射的效率。而且，这些尺寸使得其在手环中的机械集成是棘手的。

因此，本发明的另一目标在于改善模块发射的辐射的效率。本发明的另一目的在于便利模块在设备中、尤其是在手环中的机械集成。

因此，通过本发明还提供一种电磁波发射模块，该模块具有小于1立方厘米的总体积，并包括连接到至少一个发射天线的至少一个电磁波辐射源，该发射天线能够在该模块被布置在表面处时发射功率密度为每平米厘米面积至少0.5毫瓦的电磁波。

由此，所述模块特别小，使得它能够更简单地集成到便携式设备中。而且，它的小尺寸允许它更好地以最佳的方式匹配患者皮肤的近圆的形状，比如手腕或脚踝的腕围，从而改善发射的效率。最后，通过单个发射源而不是四个，降低了模块的制造成本。

有利地，所述表面是皮肤，所述发射天线包括具有旨在覆盖该皮肤的表面的元件。

由此，该小体积还包括该天线的该保护性元件的存在，该保护性元件旨在实现天线与皮肤之间的链接，并可称作天线罩。它被布置在发射天线与波传输到的表面之间。

优选地，所述波的功率密度数值介于每平方厘米面积5至35毫瓦之间。

这对于用毫米波治疗患者的慢性疼痛而言是尤其有效的功率带。此外，法律标准要求限制波的功率密度，使得在必要时能够控制模块以免超过给定阈值。

有利地，所述波的频率数值为3至120千兆赫，优选地为55至65千兆赫。

这对于用毫米波治疗而言是特别有效的频率带。

优选地，所述辐射源是专用集成电路(ASIC)，该专用集成电路(ASIC)的总体积数值小于5立方毫米并能够在通电时生成由发射天线发射的辐射。

由此，所述辐射源具有特别小的尺寸，同时能够生成具有合适特性的辐射。

有利地，所述发射天线包括平面天线或平面天线网络，该平面天线或平面天线网络的主面积数值为0.5至2cm²，该平面天线或平面天线网络能够在其被所述辐射源生成的辐射供能时向所述表面发射所述辐射。

由此，所述天线具有特别小的尺寸，使得能够容易地将其集成到模块中，同时以最佳的方式使患者的皮肤暴露于该天线发射的波。实际上，其小型化使得能够避免在所述天线与患者皮肤之间、甚至在比如患者手腕的近圆部分上产生空气间隙。

优选地，所述辐射源连接到至少四个不同的发射天线。

这四个天线尤其可以是能够辐射波的四个贴片设备或平面设备。由此，该源的功率足以独自给四个平面天线供能。

有利地，所述辐射源连接到八个不同的发射天线。

由此，该源的功率足以独自给八个天线供能。与具有一个辐射源用于四个发射天线、因此两个源用于八个天线的模块相比，这进一步降低了模块的制造成本。这还便利了模块的机械集成，因为存在单个源用于八个天线，而不是两个源，节省了空间。

优选地，所述模块包括分别的两个辐射源，这两个辐射源每个连接到分别的八个发射天线。

由此，天线分成每组八个天线的两组，每组具有自己的辐射源。该设置允许获得模组化的好处，这是因为每个组能够在集成到传输模块中之前分别组装。

有利地，天线中的至少一些形成彼此连接的天线的网络。

由此，由于网络的天线彼此连接，可简化给天线供能。辐射源因此可以在单个点处连接到该电路，来给网络中的所有天线供能。特别地，网络可以由分别的八个天线形成，以便单个ASIC给整个网络供能。由此，模块则包括两个ASIC和分别的两个网络。

优选地，所述模块包括：

-能够生成参照频率的频率发生器；

-频率测量设备，其能够测量由辐射源发射的辐射的频率推导出的频率；和

-能够将推导出的频率与参照频率进行比较的频率比较器。

由此，可验证所述辐射的频率是否符合所选择的辐射频率。实际上，由于辐射及其频率是在辐射源内生成的，并没有像例如用石英的绝对频率参照，因此该辐射的频率受制造技术的公差以及温度变化的影响。因此在辐射源之外生成低得多的参照频率，并将其与由辐射频率推导出的也低得多的频率比较，以验证辐射频率是否是所选择的。换句话说，测量由辐射频率推导出的频率，这允许验证辐射频率是否是正确的频率。

根据本发明，还提供一种用于传输电磁波的便携式设备，其包括至少两个如上所述的模块和用于给模块供电的电源。

由此，该便携式设备允许将波发射到患者的皮肤，对患者没有物理限制，患者可以在家中、在室外、在移动中等。存在小尺寸的两个模块，而不是更大尺寸的一个模块，使得能够便利模块的机械集成和改善辐射效率。实际上，在比如手腕的近圆部分上，与更大尺寸的单个刚性模块相比，彼此不同、甚至彼此远离的两个小模块会更好地适配皮肤的形状。这种将模块分成两个分别的更小的模块的做法由此使得能够减小或甚至避免在模块与患者皮肤之间形成空气间隙，同时保持与单个模块相同的暴露面积，并具有特性相同的电磁波辐射。

有利地，所述模块被设置为将表面的不相邻的分别的区域暴露于电磁波。

由此，不同于将连续表面暴露于波的单个模块，将模块分成更小的两个模块使得能够暴露表面的不同的区域，即使暴露于波的总面积的数值保持不变。

优选地，所述设备能够将总共为至少1平方厘米的表面、优选地至少2.5平方厘米的表面同时暴露于波。

由此，尽管每个模块更小，但暴露于两个模块的表面的总面积至少等于2.5平方厘米，该面积足够获得治疗慢性疼痛的疗效。然而，可以解除激活两个模块中的一个，疗效仍能够通过从单个模块发射波，即针对1.25平方厘米或甚至1平面厘米的暴露面积，而持续。

有利地，每个模块通过分别的柔性电连接装置来电连接到电源。

由此，所述连接装置的柔性特性允许将所述模块放置在比所述连接装置是刚性的情况下更宽的位置范围内。特别地，可将每个模块都布置得靠近人手腕的区域，这些区域彼此不同。换句话说，该连接装置的柔性使得能够彼此独立地布置模块，而刚性连接装置会造成更大得多的布置(定位)限制。

优选地，所述设备包括用于控制这些模块的控制模块，该控制模块不同于电源，也不同于每个传输模块，该控制模块与电源和每个传输模块通过分别的柔性电连接装置来电连接。

由此，使得能够控制发射模块的控制模块区别于这些发射模块。在此同样地，连接装置的柔性特性允许便利所有元件在便携式设备中的集成。特别地，这使得能够彼此独立地布置这些元件，而刚性连接装置不会允许这样。

有利地，所述柔性电连接装置中的至少一些是柔性印刷电路。

由此，进一步便利元件的机械集成。

优选地，所述设备包括柔性手环，所述发射模块被设置在该柔性手环中，以将手腕表面的不同部分暴露于波。

由此，所述发射模块分布在手环的柔性部分中，以避免在每个发射模块与手腕之间形成空气间隙，从而改善辐射效率。

有利地，所述设备能够被穿戴在以下部位中的至少一个处：

-面部上；

-围绕手腕；

-一条腿上；

-围绕脚踝；

-背部上；

-一个耳朵上；或者

-一个手掌中。

附图说明

通过阅读参照附图做出和提供示例的说明书，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是根据本发明一个实施例的系统的整体概图；

-图2是该实施例的元件的概图；

-图3是根据该实施例的设备的立体视图；

-图4是该实施例的波发射模块的前部的图示；

-图5是该模块的背部的图示；

-图6是该模块的概图；

-图7是该模块的电路-天线对的概图；

-图8是该对的电路的概图；

-图9是使用本发明的患者的手部的概图；

-图10是根据本发明一个实施例的连接在一起的模块的图示；

-图11是这些连接的概图；

-图12是根据本发明一个实施例的波发射模块的概图；

-图13是根据本发明一个实施例的辐射贴片的概图；以及

-图14是根据本发明的天线网络的分布概图。

具体实施方式

首先，将说明电磁波发射模块的实施例和实施方式。其次，将说明包括在模块中的用于传输电磁辐射的天线的实施例。该天线特别适于所介绍的传输模块，但它也可集成在其它设备中而因此并非固有地与模块链接。

I.发射模块

A-部件

图1示出本发明的整体框架。患者1患有慢性疼痛。他穿戴根据本发明的第一实施例和第一实施方式的设备10，该设备通过向患者1手腕处的皮肤发射电磁毫米波来治疗疼痛。“毫米波”指频率为30至300GHz的电磁波，但本发明的适用范围也可扩及频率为3至30GHz的波。

在该情况中，该设备10具有腕表或手环的整体形状，并以与手表相同的方式围绕手腕固定。在图2中示意性地示出并在图3中更详细地示出的设备10包括控制或指令模块20和两个波发射模块22、24。设备10具有手表的整体形状，它可以是其中集成了模块20、22和24的手表。反之，可在设备10中集成手表的功能。

控制模块20控制传输模块22和24。控制模块20由患者激活，但它也可以由患者或其它用户在设备10上直接通过按钮23或通过比如计算机12的终端来编程。按钮23设有发光二极管，可激活该发光二极管以给患者指示事件，例如电池不足或正在进行特定程序的操作。控制模块20存在于设备10的上部部分中，而毫米波发射模块22和24位于下部部分中以旨在与手腕下部的皮肤接触。

现在将详细说明集成在设备10中的电磁波传输模块22。除非另有说明，模块24的特征与之相同，使得以下关于模块22的说明也适用于模块24。该模块可集成在旨在发射波的任何类型的设备中，而不仅是腕表形状的设备10中。其应用不限于治疗疼痛。

在图4和5中示出并且其内容部件在图6至8中示意性地示出的该传输模块22具有两个电路-天线对42、散热器46和皮肤传感器44。它还具有(但没有示出)功率输入、数字控制件、参考时钟和温度传感器49。然而，相同的模块24可以具有更少的元件。这样，皮肤传感器和温度传感器可以仅存在于两个模块中的一个中。

两个电路-天线对42中的每对都具有与控制模块20连接的控制接口25、ASIC(专用集成电路)26和八个平面天线(可称为“贴片”)的网络28。ASIC 26是毫米波辐射源。正是ASIC 26生成辐射以使得辐射被传输给天线网络28。参照申请FR1758634，该设置的技术特点之一在于，单个ASIC 26与八个不同的天线28和单独的电路关联，如分别示出同一模块22的前部和背部的图4和图5所示。由于存在单个ASIC而不是多个ASIC来给这八个天线供电，由此造成的功率损失通过经改善的天线性能得以补偿。接口25可位于控制模块20中。

如图7所示的ASIC 26包括振荡器32、功率放大器34和用于设置和控制ASIC的数字部件36。如在图8中更详细示出的，该ASIC还包括分频器31、通信总线35、“脉宽调制”(PWM)控制件37、参照频率发生器33和比较器38。振荡器32生成ASIC的操作频率。放大器放大该信号，以使得在部件输出处获得期望功率。该功率在0至60mW之间可调。功率管理电路使得能够正确地给部件所有的功能供电。“PWM”控制单元使得能够连续或不连续地传输HF输出信号。

频率比较器38和分频器31使得能够检测ASIC 26发射的辐射的频率。实际上，振荡器32是在ASIC 26内部的元件，因此无法检查振荡器32生成的辐射的频率。然而，该频率可能会由于其它元件或由于温度变化而非自愿地被改变。为了测量该频率，因此按如下方式进行：作为外部振荡器的参照频率发生器33生成10MHz的信号。另一方面，基于ASIC 26的输出辐射，分频器31通过将输出信号的频率数值除以3840生成推导出的信号，即发射到皮肤的信号的约量分谐波(sub-multiple)。然后通过比较器38将来自发生器33的参照信号和来自分频器31的推导出的信号相互比较。由于参照信号的频率是已知的(10MHz)，并且推导出的频率是将输出信号的频率除以3840的结果，该比较器38使得能够找出输出信号的实际频率的数值，准确度大约为8MHz。如果所找出的频率与它应有的数值差异太大，外部控制器可请求振荡器32减小或略微增大其频率。该检查由此确保输出频率会在所选择的频带中，最经常为61至61.5GHz。它还使得能够验证每个ASIC的输出信号的频率是否都不同，以避免干涉条纹现象。实际上，在包括两个模块22和24、从而包含四个ASIC 26的设备10中，这些ASIC的输出频率被设置为使得它们相差至少100MHz。由此，四个频率可以分别是61.1、61.2、61.3和61.4GHz。

ASIC的制造原理类似于申请FR1758634中描述的ASIC的制造原理。因此，该ASIC26的制造是使用“CMOS”(“互补金属氧化物半导体”)技术进行的，该技术是本领域技术人员已知的技术，因此在此不对其进行详细描述。更具体地说，晶体管是“65纳米CMOS”类型的晶体管。或者，它们可以用硅锗(SiGe)甚至砷化镓(GaAs)进行研发。另一方面，“耿氏二极管”类型的技术无法实现最小尺寸和期望成本。ASIC 26由此包括在BGA(“Ball Grid Array”，即“球栅阵列”)型封装(housing)中的硅集成电路，该封装类型是本领域技术人员熟知的为ASIC 26量身定做的，该封装还包括焊球(balls，也称为“触点(bump)”)。频率振荡器32被布置在封装内部目的在于不干扰所产生的频率的空腔(未示出)中。在该情况中，该包含ASIC的BGA块的尺寸为2.2*2.2*0.9毫米。

如图4和5所示，每个毫米波发射模块22和24都包括这些ASIC 26中的两个，每个ASIC 26彼此独立地与其各自电路中的八个辐射贴片的网络28关联。这些ASIC 26和相关联的天线网络28被设置在基板39的两侧。ASIC 26到天线28的连接通过“焊球”穿过基板39来实现。该部件组允许最小化电磁波损失。接收到与其关联的ASIC 26生成的辐射的天线28发射旨在用于患者1皮肤的电磁波。在下文中，将更详细地说明基板39和天线(或辐射贴片)28。

总之，两个波发射模块22和24的每个都包括通过两个单独的电路位于基板39上的两个ASIC 26和十六个天线28。这些模块中每个的总尺寸为16.5mm*17mm*2mm，即每个模块有2.8平方厘米的总电路面积和0.56立方厘米的体积，即小于3平方厘米的面积和小于0.6立方厘米的体积。如果考虑到天线网络的天线罩52(将在下文说明)是其一部分，则模块是16.5mm*17mm*2.8mm，由此它具有小于0.8立方厘米的体积。最后，如果考虑集成在手环10中的由发射模块22或24、天线罩52和导热垫片(thermal gap pad，对于本领域技术人员而言是常规的)形成的组件，该组件尺寸是22*20*6mm，小于2.7立方厘米。这些模块都比现有技术的小，使得更容易地将它们集成到设备10中，并如下文所解释的，允许改善天线28的辐射效率。该模块分成两个更小的模块的另一重要优点将在下文中说明。

B–多部分的集成

如图3所示，模块22和24被布置在手环10的单独的位置。因此使得毫米波的发射朝向患者手腕的两个单独的部分，如在图9中的点6处示意性地示出的。由于这些刚性模块22和24比申请FR1758634中的更小，它们更贴合人手腕近圆的形状。由此，避免在手腕与模块22和24之间形成空气间隙，使得每个模块的十六个天线28发射的辐射更加有效。换句话说，与申请FR1758634中的单个模块相比，两个模块22和24的总效率得到改善。

在图10和11中示出波发射模块22和24的机械集成。集成在手环10的顶部的控制模块20通过柔性的“柔性带(flex)”40连接到发射模块22和24。“柔性带”指柔性印刷电路，也称作“柔性印刷电路”，为本领域技术人员所熟知，它使得能够生成可经受缠绕或其它类型的弯曲的电连接。在图10中，柔性带40包括单个部件，然后分成两个柔性带部分，这些部分每个连接到两个波发射模块22和24中的一个。由此，两个发射模块22和24可彼此独立地集成在手环10中，尤其是在两个不同的位置6处。

柔性带与三个元件——控制模块20、波发射模块22和24——之间的连接通过用作柔性电路40与三个模块20、22和24的刚性电路之间的中间件的电连接器29实现。而且，控制模块20连接到电池21。由此，该电池使得能够通过模块20给手环10的所有部件供电。

与来自申请FR1758634的波发射模块的集成相比，柔性地连接到控制模块20的两个小的波发射模块22和24到设备10中的集成更为容易，前者的波发射模块的总尺寸是这两个模块22和24在相邻而置的情况下形成的组件的尺寸。换句话说，对于相同的“模块体积”，分成多个部分制造的模块的机械集成更容易。

要提醒的是，如上所述，将模块分成两个小的模块22和24还使得能够避免存在空气空隙，这是因为与更大的刚性表面相比，模块的更小的表面能更好地贴合手腕近圆的形状。由此，无论模块的辐射元件2是什么，将模块分成两个部分的做法都将改善效率，并便利元件的机械集成。

然而，与现有技术设备的辐射元件相比，还改善了所述和所图示的模块的辐射元件28，使得它们本身的性能也变得更好。现在将说明这些经改善的辐射元件28。

II.天线网络

相对于在申请FR1758634中公开的天线网络，本发明的天线网络在多个方面经过改善，以提高其效率和可测试性(测试天线的容易性)，并降低其制造成本。由此，对于为皮肤提供相同量的能量而言，能够在辐射源处发射更少的能量。

A-基板

每个ASIC 26焊接到由MT77(来自制造商ISOLA)制成的“HF”基板的两个层上，这使得能够尽可能地限制高频电磁辐射的损失。选择MT77出于其以下特征的原因：在61.25GHz的频率下，介电常数为3，耗散因数为0.0017。更一般而言，有利地，这些基板层的材料的介电常数的数值为2.9至3.1，耗散因数的数值为0.0010至0.0020。两个基板层为0.254mm厚，并使得与由更厚的层制成的现有技术设备相比，能够改善天线的辐射效率大约20％。由此有利的是，这样的层的厚度为0.1至0.6mm，优选地为0.2至0.3。它们通过两个预浸料Astra-MT77层和铜层来分隔开。此外，通过通孔(vias)实现基板的不同层之间的连接。一旦组装后，形成基板的所有层为0.8mm厚。当然，层的类型及其数量可以不同。

B-贴片

在下文中，如在具体实施方式的其余部分中那样，将用“天线”或“贴片”来指代天线网络(或阵列)的辐射元件28。

在图13中示意性地示出其中一个的辐射元件28是平坦的贴片，其面积为1*1.6mm。它们的中央开口的尺寸为0.9*0.18mm。如在图14中所示，它们沿着模块的纵轴线彼此间距2.4mm，即在61.25GHz的频率下的半波长，并且宽度为2.6mm。实际上，该接近真空中的半波长的间距使得能够改善辐射的均匀性及其效率。当然，距离上小的变化没有显著影响，但天线28以范围为2.3至2.5mm的距离分隔开被视为较为优选。

在包括ASIC 26和八个天线28的印刷电路上，这些天线由此能够将面积介于0.625至1cm²的皮肤暴露于电磁波。由于每个模块22(或24)包括两个电路和因此十六个天线，电磁波发射模块能够在范围从1.25至2cm²的面积上发射。由于设备10包括两个模块(22和24)，它可将至少2.5平方厘米的皮肤暴露于波，根据科学文献所言，该面积对于产生疗效，尤其是对于治疗慢性疼痛，已经足够。而且，可以解除激活两个模块22或24中的一个，以确定在节省能量的同时疗效是否可在患者上持续。在该情况中，由此仅将1.25平面厘米的皮肤暴露于波。可考虑能感觉到疗效的1平方厘米的最小暴露。

而且，如图14所示，沿电路边缘存在通孔43，由此形成通孔43的壁。它们的直径是每个200微米，并且他们的孔距(pitch)——分隔开每个通孔各自的中心的距离——是400微米。这些通孔的壁43形成空腔，其谐振频率可处于模块所使用的频带中。为了避免该情况，可能需要改变某些通孔的位置，这对于本领域技术人员而言力所能及。特别有用的是，空腔的谐振频率不同于从55至65GHz的频带，该频带在本发明的情况中特别有用。

C-天线罩

参照图12，每个贴片28穿过天线罩52辐射波到患者的皮肤60。“天线罩”指天线、天线的阵列、网络或辐射贴片的具有旨在覆盖患者皮肤的表面的任何元件。它可以称作“盖”或“罩”。在天线领域，天线罩由此是辐射元件的罩子。由于图12是示意性的，不是按比例绘制的，当设备正常地由用户穿戴时，天线罩52与皮肤60之间不存在空间。此外，本发明的目的之一在于避免在天线与皮肤之间造成空气间隙。因此，在本发明的情况中，有利的是，该天线罩52由生物相容的材料制成，因为会令它与患者皮肤接触。该天线罩52在此由聚碳酸酯制成，其特点在于，它被设计为使得天线的阻抗适配于皮肤60的阻抗。原因在于：在默认情况下，当没有天线罩时，天线被设计在空气中辐射。当测试天线时，测试在空气中进行，因此在没有天线罩52的情况中适合于进行这些测试。但在本发明的框架内，天线旨在向人皮肤辐射。天线罩在现有技术的设备中仅为了保护天线而存在，但在此起到阻抗适配器的作用。由此，它的目的在于使得被设计为在空气中辐射的天线的阻抗(其阻抗大约是377欧姆，这是在空的空间中的阻抗)适配于皮肤的阻抗，其复介电常数约为8–11j。天线罩材料的介电常数以及所选择的厚度使得能够将天线适配于皮肤的阻抗，以最大化从天线传输到皮肤的能量。这在下文中说明。

为了实现该阻抗适配，如在此所述，可制造聚碳酸酯天线罩，但也可使用具有合适阻抗的其它生物相容材料，例如聚甲醛共聚物。该选择尤其取决于材料在模块用得最多的频率下的耗散因数数值和介电常数。由此，为了使天线阻抗最佳地适配于干燥皮肤的阻抗，多次测试显示出，鉴于在61.25GHz下，聚碳酸酯天线罩的介电常数是2.8且其耗散因数为0.01，其厚度应为0.6mm或2.0mm。对于聚甲醛共聚物，介电常数是3.8，耗散因数是0.006至0.18，天线罩的厚度应是0.5mm或1.7mm。其它数值当然是可行的：更一般而言，有利的是，该天线罩的介电常数数值小于或等于4，耗散因数小于或等于0.2，以接近最佳阻抗的适配。厚度越小，传输损失就越少。在此，因此选择厚度为0.6mm的聚碳酸酯，该厚度还适于注射模制技术。另外可行的是，在保留相同阻抗匹配的同时，给该天线罩添加大约1.4倍的厚度数值，这对应于在61.25GHz频率下的聚碳酸酯内的半波长。实际上，在该情况中，阻抗适配保持相同。

本发明不限于所说明的实施例，对于本领域技术人员，其它实施例会是明显的。

特别地，所述的波发射模块可在手环或腕表以外的设备中使用，或在适用于不同于手腕的其它区域(例如围绕脚踝或任何其它位置)的手环状设备中使用。而且，可在该设备中集成不同于在此所述的其它类型的天线。

相应地，在此所述的天线元件可集成在任何其它类型的模块或设备中，不仅是所述的波发射模块。

然而，模块与该天线网络的关联使得能够显著地改善集成它们的波发射设备的性能。

最后，模块可旨在用于治疗疼痛之外的应用。实际上，发射毫米波可尤其旨在缓解压力或紧张，或更具一般性地产生良好的感觉。

Claims (29)

1.一种用于近场辐射的贴片天线(28)，所述贴片天线包括具有旨在覆盖用户(1)皮肤的表面的元件(52)，所述元件(52)被设置为使得所述天线(28)的阻抗匹配皮肤的阻抗。

2.如前一权利要求所述的贴片天线(28)，其中，当电磁波以61.25千兆赫的频率穿过所述元件(52)时，所述元件(52)的固有阻抗值介于空气的固有阻抗值与所述干燥皮肤的由其8–j11欧姆的复介电常数推导出的固有阻抗值之间。

3.如上述权利要求中任一项所述的贴片天线(28)，其中，所述元件(52)包括生物相容材料。

4.如前一权利要求所述的贴片天线(28)，其中，所述元件(52)仅包括聚碳酸酯，所述元件(52)的厚度数值介于0.5mm至3mm之间，所述厚度数值优选地为0.6mm、或0.6mm加上当所述电磁波穿过所述元件时的半波长的整数倍。

5.如上述权利要求中任一项所述的贴片天线(28)，其中，所述元件(52)的介电常数的数值小于或等于4，并且其耗散因数小于或等于0.2。

6.如上述权利要求中任一项所述的贴片天线(28)，包括等于或小于10cm²的主面积数值。

7.如上述权利要求中任一项所述的贴片天线(28)，包括至少八个用于辐射电磁波的贴片设备(28)，这些设备位于同一基板(39)上并彼此以介于2.4至2.5mm之间的间距数值分隔开，所述八个设备能够将介于0.625cm²至1cm²之间的连续面积暴露于电磁辐射。

8.如上述权利要求中任一项所述的贴片天线(28)，包括具有基板的印刷电路板(26)，当电磁波以61.25千兆赫的频率穿过所述元件时，所述基板的介电常数的数值为2.9至3.1，耗散因数的数值为0.0010至0.0020，所述基板的层的厚度数值的厚度数值为0.1至0.6mm，优选地为0.2至0.3mm，总的基板组装厚度介于0.5至1.6mm之间。

9.如前一权利要求所述的贴片天线(28)，所述贴片天线(28)在所述基板的所有边缘处包括通孔栅栏(43)，所述栅栏的通孔(43)的直径数值大于或等于175微米，通孔之间的间距数值大于或等于300微米。

10.如前一权利要求所述的贴片天线(28)，其中，由所述通孔栅栏形成腔，所述腔被设置为使得所述腔的谐振频率的数值在从55千兆赫至65千兆赫的频率范围之外。

11.一种电磁波发射模块(22、24)，其中，所述模块具有小于1立方厘米的总体积，并包括连接到至少一个发射天线(28)的至少一个电磁波辐射源(26)，所述发射天线能够在所述模块被设置在表面处时发射功率密度为每平米厘米面积至少0.5毫瓦的电磁波。

12.如前一权利要求所述的模块(22、24)，其中，所述表面是皮肤，所述发射天线(28)包括具有旨在覆盖所述皮肤的表面的元件(52)。

13.如权利要求11或12所述的模块(22、24)，其中，所述波的功率密度的数值介于每平方厘米面积5至35毫瓦之间。

14.如权利要求11至13中任一项所述的模块(22、24)，其中，所述波的频率数值为3千兆赫至120千兆赫，优选地为55千兆赫至65千兆赫。

15.如权利要求11至14中任一项所述的模块(22、24)，其中，所述辐射源(26)是专用集成电路，所述专用集成电路的总体积数值小于5立方毫米，并能够在其通电时生成通过所述发射天线(28)发射的辐射。

16.如权利要求11至15中任一项所述的模块(22、24)，其中，所述发射天线(28)包括平面天线(28)或平面天线的网络，所述平面天线(28)或所述平面天线的网络的主面积数值为0.5cm²至2cm²，所述平面天线或所述平面天线的网络能够在其被所述辐射源(26)生成的辐射供能时向所述表面发射所述辐射。

17.如权利要求11至16中任一项所述的模块(22、24)，其中，所述辐射源(26)连接到至少四个不同的发射天线(28)。

18.如前一权利要求所述的模块(22、24)，其中，所述辐射源(26)连接到八个不同的发射天线(28)。

19.如前一权利要求所述的模块(22、24)，其中，所述模块包括两个分别的辐射源(26)，其中每个连接到八个分别的发射天线(28)。

20.如权利要求17至19中任一项所述的模块(22、24)，其中，所述天线(28)中的至少一些形成彼此连接的天线的网络。

21.如权利要求11至20中任一项所述的模块(22、24)，包括：

-能够生成参照频率的频率发生器(33)；

-频率测量设备(38)，其能够测量由所述辐射源发射的辐射的频率推导出的频率；和

-能够将所述推导出的频率与所述参照频率进行比较的频率比较器(31)。

22.一种用于传输电磁波的便携式设备(10)，其包括至少两个如权利要求11至21中任一项所述的模块(22、24)和用于给所述模块供电的电源(21)。

23.如前一权利要求所述的设备(10)，其中，所述模块(22、24)被设置为将所述表面的不相邻的分别的区域暴露于电磁波。

24.如权利要求22或23所述的设备(10)，其中，所述设备能够将总共为至少1平方厘米的所述表面、优选地至少2.5平方厘米的所述表面同时暴露于所述波。

25.如权利要求22至24中任一项所述的设备(10)，其中，每个所述模块(22、24)通过分别的柔性电连接装置(29、40)来电连接到所述电源(21)。

26.如权利要求22至25中任一项所述的设备(10)，其中，所述设备包括用于控制所述模块的控制模块(20)，所述控制模块不同于所述电源(21)，也不同于每个传输模块(22、24)，所述控制模块(20)通过分别的柔性电连接装置来电连接到所述电源(21)和每个传输模块。

27.如权利要求22至26中任一项所述的设备(10)，其中，所述柔性电连接装置(40)中的至少一些是柔性印刷电路。

28.如权利要求22至27中任一项所述的设备(10)，其中，所述设备包括柔性手环(10)，所述发射模块(22、24)被设置在所述柔性手环中以将手腕的表面的不同部分(6)暴露于波。

29.如权利要求22至28中任一项所述的设备(10)，其中，所述设备能够穿戴在以下部位中的至少一个处：

-所述面部上；

-围绕手腕；

-一条腿上；

-围绕脚踝；

-背部上；

-一个耳朵上；或者

-一个手掌中。

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