微波热致超声成像系统天线设计

2010-11-04吴江牛赵志钦陈国平聂在平

电波科学学报 2010年3期

关键词：矩形波导热声波导

吴江牛赵志钦龚伟陈国平聂在平

(电子科技大学电子工程学院,四川成都 610054)

微波热致超声成像系统天线设计

吴江牛赵志钦龚伟陈国平聂在平

(电子科技大学电子工程学院,四川成都 610054)

为了改善微波能量辐射的均匀程度,设计了一个矩圆过渡喇叭。在加入生物组织模型后进行仿真优化,并根据仿真优化结果制作了一个矩圆过渡喇叭。测试结果表明:此设计将系统的反射系数改善了9 dB以上。同时,对矩圆过渡喇叭和BJ-22矩形波导进行微波热致超声信号对比实验,比较分析结果表明:该设计可有效地改善微波能量辐射的均匀性,对设计更高效的微波脉冲馈源提供了重要参考。

微波脉冲;波导;热声信号;热声成像

1.引言

当较短的微波脉冲照射到生物组织上时,生物组织将吸收到的微波能量转化为热能[3];由于脉冲持续时间的短暂以及组织不均匀性导致的温度差,在组织内部引起热膨胀,进而产生了携带有生物组织吸收微波能量特性信息的超声波[2]。通过超声传感器检获这些超声信号[3],就可以对生物组织的吸收特性进行图像重构,这种方法称为微波热致超声成像技术[2]。

与纯粹的电磁成像或超声成像相比,微波热致超声成像技术兼具了电磁成像的高对比度和超声成像的高分辨率两方面特点[2],弥补了两者的不足,是一种颇具潜力的生物医学成像技术,尤其是用于早期乳腺癌的检测上[2]。

但是微波辐射能量的非均匀性所带来的直接后果就是引起不真实的能量吸收差异,这样重构的图像一方面会出现伪目标;另一方面也会遗漏真实目标。因此微波辐射能量的均匀性就成为微波热致超声成像技术一个非常重要的指标,是保证成像结果可靠的前提条件,因而有必要设计一个均匀辐射的馈源。在馈源设计上我们将原来的矩形波导改为矩圆过渡喇叭。

2.矩圆过渡喇叭

为了得到相对均匀的微波辐射能量分布,同时考虑到在实物测试时的共形问题,我们选择了圆波导,利用圆形波导改善能量辐射的均匀性;整体的设计结构如图1所示。其结构为:BJ-22矩形波导、矩圆波导的过渡段(过渡系数为零,即直接渐变过渡)、圆波导和在圆波导末端加上相应的圆喇叭。加上圆喇叭的目的是改善S11,使微波能量更有效地辐射出去。

图1 矩圆过渡喇叭设计图

为了降低S11,矩形波导到圆波导的过渡段h3,圆喇叭的高度h1,喇叭口直径d1,圆波导直径d2均是需要优化的参数。通过三维电磁场仿真软件CST和H FSS仿真,设定优化目标为S11最小,通过提供的参数扫描方法,得到上述参数的初始值。然后,将容器、耦合液及二层(皮肤,脂肪)乳房模型的几何和电参数加入上述初步模型中进行优化。优化时以参数扫描的优化参数为初始值,仍设定S11最小为目标进行优化。其中容器设置为球形和锥形容器两种。球形容器的厚度为1 mm,相对介电常数为4,耦合液的介电常数为5.6.乳房模型的结构为:外层皮肤层,半径为60 mm,厚度为2 mm,介电常数为42;内层为脂肪层,介电常数为4.5;而锥形容器的介电常数为1.5,耦合液的介电常数为2.5.

通过仿真分析可得,对锥形容器而言,由于接触面是渐变接触,微波能量侧面照射在容器底面上,因此,采用锥形容器可以更好地降低S11参数,使微波能量的辐射更有效。因此,实物加工采用锥形容器优化后的数据。图2为加工的实物图。

图2 矩圆过渡喇叭实物图

矩圆过渡喇叭的材料采用铝件,内表面镀铜之后,再进行防氧化处理;外部采用油漆喷刷,底部为标准法兰盘。经过测量,其尺寸与设计基本符合。由于S11参数对实验影响较大,因此只对S11参数测量。首先选取一个BJ-22的同轴波导转化器,其开口端面向半无限大空间,通过测试仪器测出其驻波系数S11为1.4,然后装上矩圆过渡喇叭,其开口端同样面向半无限大空间,再测其驻波系数为1.12.

由以上的测试结果可知,BJ-22同轴波导转换器的S11参数为-15.3 dB,装上矩圆过渡喇叭以后S11参数为-24.8 dB,S11参数改善了9 dB以上。另外选取一支同轴波导转化器,测得S11参数同样改善9 dB以上。

3.热声信号测试实验

辐射场的均匀性测试采用不同位置热声信号强度对比的方式,即将样品放在波导和喇叭口不同位置,测量产生的热声信号的峰峰值,从而确定辐射的均匀性。

3.1 样品配置

实验容器采用聚炳烯盒,相对介电常数约为1.5,电损忽略不计。为减小超声波信号在空气中的迅速衰减,聚炳烯盒内装满超声耦合液,其相对介电常数约为2.5,电损也忽略不计。试验样品为一块3 cm正方形的猪肌肉组织(厚度为5 mm),放在容器的底部,其位置如图3所示。

图3 实验样品及容器照片

3.2 矩形波导的热声测试实验原理

图4所示为矩形波导超声测试原理框图,加入实验样品的容器放在屏蔽室内矩形波导的端口的中心上,容器内填充耦合液。微波脉冲源产生的微波脉冲经过BJ-22波导馈入到屏蔽室内,微波脉冲源的取样信号经过衰减器后输入到示波器上,通过调节示波器上检测信号的幅度,控制调节微波脉冲源的输出功率。超声传感器探头放在样品的正上方,用以接收产生的超声信号,它将接收到的热超声信号转化为压电信号,经过放大器放大后,输入到示波器上进行显示。

图4 矩形波导的测试原理图

矩形波导的探头测试位置如图5。其中矩形波导点1和点2之间的距离为3 cm,点1和点4之间的距离为2 cm.

图5 矩形波导的测试位置

3.3 矩圆过渡喇叭的热声测试实验原理

图6所示为矩圆过渡喇叭的超声测试原理框图,除了终端采取矩圆过渡喇叭以外,其余配置与矩形波导超声测试完全一致。

矩圆过渡喇叭的探头测试位置如图7所示。各点到圆心的距离相等,均为3 cm.

3.4 热声测试实验结果及分析

在保证微波源的脉冲峰值功率等各项参数不变的条件下,分别在矩形波导口平面(高度1)和离波导口2 cm处平面(高度2)进行热声测量。对每一点信号的峰峰值进行了多次测量并求平均,然后采用均方差S对矩形波导热声测试信号的离散程度进行表征,其公式如式1所示。图8所示为矩形波导各点峰峰值图。

同样在保证微波源的脉冲峰值功率等各项参数不变的条件下,分别在矩圆过渡喇叭口的平面(高度2)和离喇叭口2 cm处平面(高度1)进行了测量。矩圆过渡喇叭的数据处理与矩形波导的数据处理完全一致。图9所示为矩圆过渡喇叭的各点峰峰值图。

由图8和图9可知,不同的位置上,矩形波导和矩圆过渡喇叭的热声信号的峰峰值相差较大,因此,采用归一化后的均方差来表征峰峰值的离散程度,其公式如式2所示。表1是矩形波导和矩圆过渡喇叭测试信号的归一化均方差。

表1 矩形波导和矩圆过渡喇叭测试信号的归一化均方差

由表1可以看出,矩圆过渡喇叭在不同高度测试信号的归一化的均方差均小于矩形波导归一化的均方差,而且在矩圆过渡喇叭的高度1上的热声信号离散程度比矩形波导小一个数量级,因此矩圆过渡喇叭的能量辐射比矩形波导更为均匀,确实改善了微波能量辐射的均匀性。

4.结论

针对目前微波热致超声成像技术中采用的矩形波导,作者进行了改进设计并制作出了一个矩圆过渡喇叭。实验测试结果表明该设计改善了系统的反射系数。同时对矩圆过渡喇叭和BJ-22矩形波导进行了微波热致超声信号的对比实验,通过对产生的热声信号比较分析,结果显示此设计改善了微波能量辐射的均匀性,本文的工作对下一步设计更有效的微波脉冲馈源提供了参考。

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Antenna design of microwave induced thermo-acoustic tomography system

WU Jiang-niu ZHAOZhi-qin GONGWei CHEN Guo-ping NIE Zai-ping
(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and T echnology of China,Chengdu Sichuan 610054,China)

In order to improve the uniformity of microwave energy radiation,the authors designed a rectangular-circular horn according to the simulation optimization results with introduction of biological tissue model.Experimental results show that this design reduces the reflection coefficient by over 9 dB.Meanwhile,we implemented an experiment about microwave heat-induced ultrasound between rectangular-circular horn and BJ-22 rectangular waveguide.By comparing the thermo-acoustic signals,it is demonstrated that this design improves the uniformity of microwave radiant energy.The work in this paper can provide important reference to design more effective microwave pulse feed.

microwave pluses;waveguide;thermo-acoustic signals;thermo-acoustic tomography