一種用于醫療診斷的小型復合單向天線設計

胡渝蘋

(重慶水利電力職業技術學院,重慶 402160)

一種用于醫療診斷的小型復合單向天線設計

胡渝蘋*

(重慶水利電力職業技術學院,重慶 402160)

為了滿足寬帶微波醫療診斷(在低微波波段條件下運行)的要求,提出了一種新的小型復合單方向平面天線。該天線的主要部分結合了環形以及偶極交錯式結構,以便獲得較寬的帶寬。首先,為了降低天線的第一共振并增強天線的指向性,在環形天線的立臂上添加兩個開槽。然后,分別在環形天線和偶極天線的橫臂上開辟一對長方形槽和梯形槽,以便減少添加的開槽對輸入阻抗的影響。該天線主要是向一個方向進行輻射,且相較于其他相似設計,其尺寸要小50%,為0.23 m×0.23 m。在0.65 GHz～1.15 GHz的條件下,實測相對帶寬為55%,并且峰值增益和前后比分別為3.7 dBi和10.6 dB。為了驗證天線的實用性,將其用于陣列配置中,并在實驗環境中對其進行了肺水腫測試,實驗結果顯示了該天線設計的有效性。

單向天線;偶極環形天線;醫療診斷;微波成像;肺水腫

由于具有成本低、可攜帶以及非電離特性,基于微波的成像和診斷系統成為了醫療領域中最具前途的技術之一[1-2]。相較于健康組織,不健康組織具有各種介電特性,微波成像系統就是在此基礎上運行的。對于肺水腫而言,液體(主要是水)會聚集在肺里,導致肺部的有效介電特性(介電常數以及傳導性)明顯增加,這是從微波工程方面來說。利用適當的微波技術能夠檢測出上述變化[3]。

在微波成像系統內,天線是唯一的輻射元件,對上述系統的成功起著關鍵性的作用。通過研究各類肺水腫檢測系統可發現,肺水腫檢測系統主要是在較低微波頻段(約為1 GHz)內運行[4],可以利用較寬的工作帶寬實現軀干內信號滲透,得到高分辨率圖像[5]。此外,最近的研究表明,如果天線的前后比(Front-to-Back Ratio,FBR)大于4 dB,就能夠降低來自環境的不利影響,并且有效地提高微波功率[6-7]。

考慮到重量輕、裝配簡單以及制造成本低等特性,平面單極天線是最適合微波成像系統的天線。為了使上述天線具備寬帶性能,研究人員提出了偶極復合結構[6]、磁電偶極[7]以及準八木結構[8]等多個技術。但是,上述技術會導致天線的尺寸較大,不適用于醫療領域,尤其是在微波頻帶的低端運行時,如:檢測肺水腫。

為了滿足上述要求,本文提出了一種新的小型復合單方向平面天線。本文提出的設計包括環形以及偶極交錯式結構,結合起來形成單平面天線。在此設計中,低共振主要是由環形天線負責,而偶極天線負責增強高頻頻帶。為了降低天線的第一共振并增強天線的指向性,在環形天線的立臂上添加一對開槽。然后,分別在環形天線和偶極天線的橫臂上開辟一對長方形槽和梯形槽,以便減少添加的開槽對輸入阻抗的影響。在0.65 GHz～1.15 GHz的條件下,本文提出天線的實測相對帶寬為55%,相較于近期設計[9],其尺寸減少了50%,并且峰值前后比為10.6 dB。為了驗證天線的實用性,利用該天線建立成像系統,能夠成功檢測出人工軀干物理模型中的早期肺水腫。由于結構緊湊,具備寬帶性能以及單向輻射,該天線能夠用于各類在較低微波波段條件下運行的醫療診斷系統。

1 天線模型及參數設計

1.1 天線結構

圖1是本文提出的設計,在一個正方形的環氧樹脂FR4板上制成,介電常數為4.4,損耗正切為0.02,邊長為l,并且厚度為0.8 mm。該天線是由一個環形天線(2(l+l1+l2+g))、半波長偶極天線(2(l3+w3))以及一對開槽(g)組成。為了獲得較寬的工作帶寬,利用一根50 Ω的共面波導(CPW)線對天線進行饋電[10]。饋電電纜與SMA(SubMiniature version A)接頭相連,該接頭位置如圖1(c)所示。然后通過CPW線的導通孔(#1),SMA的中心腳線與中心相連,最后側銷與相鄰導通孔(#2和#3)相連,如圖1(c)所示。

圖1 (a)提出的天線結構圖;(b)天線的饋送結構

1.2 阻抗匹配以及帶寬增強

眾所周知,將電、磁偶極結合會導致出現單方向輻射以及較寬的工作帶寬[6]。為了實現帶有平面結構的天線,本文提出了偶極環形復合天線,將環形天線建模為磁偶極[8]。所以,該天線的尺寸以及最低共振主要是由一個波長的環形天線決定。考慮到較低微波頻率條件下的波長較大,從物理角度來看,預計在此頻段內天線較大。因此,為了利用上述結構的寬帶性能,并且降低其尺寸,需要使用一個新型結構。

傳統環形天線的邊長為110 mm,在0.78 GHz的條件下,利用模擬器HFSS傳統環形能夠在上述基片上進行共振。為了能夠在不增加天線尺寸的條件下降低環形天線的共振,在該天線上添加一對開槽。添加開槽最初是為了增強環形天線的指向性[11],除了能夠激發出新的共振,還能夠在環形天線的上部與下部之間產生電容耦合,并且將共振頻率降至約為0.68 GHz,原因在于:通過添加開槽,共振天線分為一個波長的環形天線和半波長折疊偶極天線(2l1+l),在0.8 GHz的條件下產生共振。為了簡化阻抗匹配并且擴展低頻條件下的阻抗匹配,對開槽的尺寸進行調整以便產生相鄰共振。

為了增強高頻條件下(約為1 GHz)環形天線的阻抗匹配,傳統方法是四分之一波長帶應與環形天線之間有一定的間隔。但是,該方法會導致天線的尺寸增大。為了能夠在產生新共振的同時將天線尺寸保持較小,添加尺寸為2(w3+l3)的半波長偶極天線。所以,在1 GHz的條件下能夠產生新共振。但是,由于上述天線的高感應電抗以及低電阻,在0.72 GHz～0.96 GHz條件下阻抗匹配會下降,如圖2所示。為了提升阻抗匹配并進一步提高天線的工作帶寬,分別在環形天線和偶極天線上切開兩個小型長方形開槽(ws+ls)以及一個直角梯形開槽。

圖2 在0.72 GHz～0.96 GHz條件下的輸入阻抗變化(同一圖例)

1.3 參數設置

上述這些開槽能夠增加天線的電阻,并且減少感應電抗,從而在0.64 GHz～1.13 GHz的條件下獲得較大的相對帶寬,即:55%。(就最低頻率條件下的波長而言)天線的外形尺寸較小,即:0.23 mm×0.23 mm,是近期提出的設計[6,9]尺寸的一半。

建立天線模型,經過反復優化調整,通過調節各個參量,確定天線最終的尺寸為:w=5 mm,w1=15 mm,w2=8 mm,w3=28 mm,w4=w5=20 mm,ws=19 mm,l=110 mm,l1=40 mm,l2=48.75 mm,l3=52 mm,l4=8.1 mm,l5=13.2 mm,ls=2 mm,s=4 mm,f1=0.84 mm,f2=4.5 mm,f3=0.22 mm,f4=6.5 mm,f5=3.5 mm,f6=2.5 mm,f7=1.36 mm,fs=3.4 mm。

2 天線性能驗證測量

本文按照最終設計制成了本文提出的天線,并對其性能進行了測試。通過全波模擬結果和測量結果對天線的性能進行了測試,模擬結果和實測結果如圖3所示。模擬結果與實測結果較吻合,但是由于工藝誤差的原因造成了較小的差別。為了消除同軸電纜對天線性能的影響,在測量期間使用了鐵氧體磁珠。如圖3(a)所示,在0.65 GHz～1.15 GHz的條件下,天線的相對帶寬較大,即:55%。圖3(b)是天線的模擬效率和實測效率。在0.65 GHz～1.15 GHz的條件下,天線的效率大于70%。如圖3(c)所示,在天線的工作帶寬范圍內,天線的增益較穩定,即:大于2 dBi,并且峰值為3.7 dBi。需注意,由于本文提出的天線是一種復合結構,其增益不會連續隨著頻率的增加而增加[7],主要原因在于天線的輻射機制,本文從表面電流分布的角度對其進行了說明,如圖4所示。

圖3 實測結果與模擬結果

在低頻條件下,在環形天線上添加縫隙能夠導致環形天線的上部與下部之間產生相位差,所以,天線可被描述為兩個異相位偶極[11],如圖4(a)所示。

圖4 2種條件下的模擬表面電流

此外,天線(輻射器)(-y)方向的電流比天線(反射器)(+y)方向的電流大得多;所以,天線主要是在(-y)方向進行輻射。在高頻條件下,交錯偶極上的電流比反射器(天線的+y方向)上的電流大;所以,天線的輻射方向主要是(-y)方向。相較于低頻條件下的表面電流(如圖4(a)所示),反射器上的表面電流較大,從而在波帶上限內主要輻射方向(-y方向)上的增益減少。另外,反射器上的電流與偶極上的電流同相,如圖4(b)所示。

圖5 3種條件下天線的實測遠場方向圖(上)以及近場方向圖(下)

上述兩個元件之間的有效空間距離約為波帶上限內波長的一半(180°),也就是說,主要輻射方向(-y方向)上的有效增益不會隨著正常趨勢走,即:增益隨著頻率的增加而增加,但是實際上,該增益比波帶下限內的增益小。

由于在醫療成像應用中天線運行時十分靠近人體,本文利用Aaronia AG(德國安諾尼公司)生產的近場探針[5,9]對天線的近場圖形再一次進行了測量,該探針距天線20 mm;獲得的歸一化輻射方向結果如圖5所示。根據結果我們可以得出下列結論,由于指向性比率超過4∶1,天線仍然在其近場保持單方向特性。本文對天線共振時的輻射方向圖進行了測量,如圖5所示。從圖5(a)中可看出,在0.68 GHz的條件下,天線的峰值FBR為10.6 dB。根據上述分析可知,在0.85 GHz和1.1 GHz兩種條件下,天線的FBR值均較低,分別為8 dB和5 dB。

3 肺水腫檢測

在對天線的性能進行驗證之后,我們將天線用于肺水腫檢測系統中。肺水腫的最明顯癥狀之一就是肺部積聚著液體(主要是水),能夠改變該區域的介電特性[12]。利用基于無線電探測器的成像系統能夠檢測出介電特性發生了變化。為了實現檢測介電特性變化的目標,根據本文提出的設計建造了一組16個元件的天線以便形成準橢圓形結構,包圍著整個軀干,天線元件與軀干之間的距離始終約為2 cm,如圖6所示。

圖6 帶有準橢圓形天線陣列的系統結構

天線與兩個USB-8SPDT-A18型開關(圖6中僅僅顯示了一個開關)相連,兩個開關是與便攜式向量網絡分析儀(VNA)的兩個端口相連。本文利用包含成像算法的筆記本電腦對開關以及VNA的性能進行了控制。

為了模擬早期肺水腫的情況,將少量水(約為3 mL)倒入仿真人體軀干模型中肺部的下方;仿真人體軀干模型與平均人體軀干以及肺部、心臟、肋骨、肌肉和腹部的解剖大小一致[12]。利用單站數據采集方法進行了實驗,即:每根天線均用于連續發射和接收。然后,使用基于頻域的成像算法計算軀干內電磁場的強度,并利用捕捉到的反向發射信號形成二維圖像。文獻[13]詳述了該算法。圖7(a)和圖7(b)分別是健康情況下和早期肺水腫情況下的圖像。在早期肺水腫情況中,經觀察可發現,強散射體位于倒入水的位置,(y,z)=(3,-2)。受檢目標的強度比健康情況下的強度高3倍。

通過改變水的位置、使用羊肺(其組織特性與人體十分接近(圖7(c)))以及Zubal模型(三維仿真人體軀干模型[13](圖7(d)))模擬環境對上述結果進行了驗證。通過實驗獲得的結果驗證了本文設計的天線的有效性以及整個系統在檢測早期肺水腫時的有效性。

圖7 利用(b)仿真人體軀干模型、(c)羊肺以及(d)Zubal人體軀干模型

4 結論

為了滿足基于寬帶微波的醫療診斷應用程序(在低微波波段條件下運行)的要求,本文提出了一種小型單方向平面天線。在本文提出的設計中,偶極和環形交錯式結構能夠獲得較寬的帶寬。環形天線的立臂上有兩個開槽,通過采用電容耦合和環形天線上部與下部之間的90°相位差能夠降低第一共振并增強指向性。相較于其他設計,在0.65 GHz～1.15 GHz的條件下,天線相對帶寬較寬即:55%,尺寸減少了50%,并且峰值增益和FBR值分別為3.7 dBi和10.6 dB。然后,本文提出的設計成功地檢測出了仿真人體軀干模型中的早期肺水腫。由于具備小尺寸、寬帶寬以及指向性輻射等特性,本文提出的設計能夠用于各類醫療診斷應用程序的微波成像系統。

[1] 韓闊業,王彥平,譚維賢,等. 陣列天線微波成像多通道相位誤差校正方法[J]. 中國科學院大學學報,2012,29(5):630-635.

[2] 郭珂君,彭斌,張萬里. 一種聲表面波無線傳感器的小型化微帶天線[J]. 傳感技術學報,2013(10):1453-1456.

[3] 周恒,樊玉偉,舒挺. 偶極天線用于高功率微波功率測量的研究[J]. 中國物理c:英文版,2008(z1):307-309.

[4] 鐘選明,廖成. 基于時間反演和單站天線的導體目標微波成像[J]. 西南交通大學學報,2011,46(3):451-455.

[5] Rezaeieh S A,Abbosh A M. Wideband and Unidirectional Folded Antenna for Heart Failure Detection System[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2014,13(1933):844-847.

[6] Lu W J,Zhang W H,Tong K F,et al. Planar Wideband Loop-Dipole Composite Antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(4):2275-2279.

[7] Tang C,Xue Q. Vertical Planar Printed Unidirectional Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12(1921):368-371.

[8] Shi J,Wu X,Chen Z,et al. A Compact Differential Filtering Quasi-Yagi Antenna with High Frequency Selectivity and Low Cross Polarization Levels[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14(6):1-1.

[9] Zamani A,Rezaeieh S A,Abbosh A M. Frequency Domain Method for Early Stage Detection of Congestive Heart Failure[C]//IEEE Mtt-S International Microwave Workshop Series on Rf and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications. IEEE,2014:977-982.

[10] Chen T C,Tsai C Y. CPW-Fed Wideband Printed Dipole Antenna for Digital TV Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(59):4826-4830.

[11] 鄧斌,金林,陳健. 小波矩量法分析環形微帶縫隙天線[J]. 微波學報,2015,31(2):6-9.

[12] Salman S,Wang Z,Colebeck E,et al. Pulmonary Edema Monitoring Sensor with Integrated Body-Area Network for Remote Medical Sensing[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(5):2787-2794.

[13] Zamani A,Rezaeieh S A,Abbosh A M. Frequency Domain Method for Early Stage Detection of Congestive Heart Failure[C]//IEEE Mtt-S International Microwave Workshop Series on Rf and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications. IEEE,2014:977-982.

DesignofaSmallSizedCompositeUnidirectionalAntennaforMedicalDiagnosis

HUYuping*

(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College,Chongqing 402160,China)

In order to satisfy the requirement of broadband microwave medical diagnosis(in the condition of low microwave band),a novel compact composite single direction planar antenna is proposed. The main part of the antenna is combined with a ring and a dipole staggered structure in order to obtain a wide bandwidth. First,in order to reduce the first resonance of the antenna and enhance the directivity of the antenna,two slots are added to the vertical arm of the loop antenna. Then,a pair of rectangular slots and a trapezoidal groove are respectively opened on the transverse arms of the annular antenna and the dipole antenna,so as to reduce the influence of the added slot on the input impedance. The antenna is mainly to a direction of radiation,and compared to other similar design,its size is small 50%,0.23 m×0.23 m. Under the condition of 0.65 GHz～1.15 GHz,the measured relative bandwidth is 55%,and the peak gain and the front and back ratio are 3.7 dB and 10.6 dB. In order to verify the practicability of the antenna,it is used in the configuration of the array,and the pulmonary edema test is carried out in the experimental environment. The experimental results show the effectiveness of the antenna design.

unidirectional antenna;dipole antenna;medical diagnosis;microwave imaging;pulmonary edema

2016-10-16修改日期2016-11-12

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.014

TN828.6

A

1005-9490(2017)06-1398-06

胡渝蘋(1982-),女,漢族,碩士,講師,研究方向為計算機應用技術,huyuping1982@sina.com。