一种用于医疗诊断的小型复合单向天线设计

2017-12-26胡渝苹

电子器件 2017年6期

关键词：肺水肿躯干共振

胡渝苹

(重庆水利电力职业技术学院,重庆 402160)

一种用于医疗诊断的小型复合单向天线设计

胡渝苹*

(重庆水利电力职业技术学院,重庆 402160)

为了满足宽带微波医疗诊断(在低微波波段条件下运行)的要求,提出了一种新的小型复合单方向平面天线。该天线的主要部分结合了环形以及偶极交错式结构,以便获得较宽的带宽。首先,为了降低天线的第一共振并增强天线的指向性,在环形天线的立臂上添加两个开槽。然后,分别在环形天线和偶极天线的横臂上开辟一对长方形槽和梯形槽,以便减少添加的开槽对输入阻抗的影响。该天线主要是向一个方向进行辐射,且相较于其他相似设计,其尺寸要小50%,为0.23 m×0.23 m。在0.65 GHz～1.15 GHz的条件下,实测相对带宽为55%,并且峰值增益和前后比分别为3.7 dBi和10.6 dB。为了验证天线的实用性,将其用于阵列配置中,并在实验环境中对其进行了肺水肿测试,实验结果显示了该天线设计的有效性。

单向天线;偶极环形天线;医疗诊断;微波成像;肺水肿

由于具有成本低、可携带以及非电离特性,基于微波的成像和诊断系统成为了医疗领域中最具前途的技术之一[1-2]。相较于健康组织,不健康组织具有各种介电特性,微波成像系统就是在此基础上运行的。对于肺水肿而言,液体(主要是水)会聚集在肺里,导致肺部的有效介电特性(介电常数以及传导性)明显增加,这是从微波工程方面来说。利用适当的微波技术能够检测出上述变化[3]。

在微波成像系统内,天线是唯一的辐射元件,对上述系统的成功起着关键性的作用。通过研究各类肺水肿检测系统可发现,肺水肿检测系统主要是在较低微波频段(约为1 GHz)内运行[4],可以利用较宽的工作带宽实现躯干内信号渗透,得到高分辨率图像[5]。此外,最近的研究表明,如果天线的前后比(Front-to-Back Ratio,FBR)大于4 dB,就能够降低来自环境的不利影响,并且有效地提高微波功率[6-7]。

考虑到重量轻、装配简单以及制造成本低等特性,平面单极天线是最适合微波成像系统的天线。为了使上述天线具备宽带性能,研究人员提出了偶极复合结构[6]、磁电偶极[7]以及准八木结构[8]等多个技术。但是,上述技术会导致天线的尺寸较大,不适用于医疗领域,尤其是在微波频带的低端运行时,如:检测肺水肿。

为了满足上述要求,本文提出了一种新的小型复合单方向平面天线。本文提出的设计包括环形以及偶极交错式结构,结合起来形成单平面天线。在此设计中,低共振主要是由环形天线负责,而偶极天线负责增强高频频带。为了降低天线的第一共振并增强天线的指向性,在环形天线的立臂上添加一对开槽。然后,分别在环形天线和偶极天线的横臂上开辟一对长方形槽和梯形槽,以便减少添加的开槽对输入阻抗的影响。在0.65 GHz～1.15 GHz的条件下,本文提出天线的实测相对带宽为55%,相较于近期设计[9],其尺寸减少了50%,并且峰值前后比为10.6 dB。为了验证天线的实用性,利用该天线建立成像系统,能够成功检测出人工躯干物理模型中的早期肺水肿。由于结构紧凑,具备宽带性能以及单向辐射,该天线能够用于各类在较低微波波段条件下运行的医疗诊断系统。

1 天线模型及参数设计

1.1 天线结构

图1是本文提出的设计,在一个正方形的环氧树脂FR4板上制成,介电常数为4.4,损耗正切为0.02,边长为l,并且厚度为0.8 mm。该天线是由一个环形天线(2(l+l1+l2+g))、半波长偶极天线(2(l3+w3))以及一对开槽(g)组成。为了获得较宽的工作带宽,利用一根50 Ω的共面波导(CPW)线对天线进行馈电[10]。馈电电缆与SMA(SubMiniature version A)接头相连,该接头位置如图1(c)所示。然后通过CPW线的导通孔(#1),SMA的中心脚线与中心相连,最后侧销与相邻导通孔(#2和#3)相连,如图1(c)所示。

图1 (a)提出的天线结构图;(b)天线的馈送结构

1.2 阻抗匹配以及带宽增强

众所周知,将电、磁偶极结合会导致出现单方向辐射以及较宽的工作带宽[6]。为了实现带有平面结构的天线,本文提出了偶极环形复合天线,将环形天线建模为磁偶极[8]。所以,该天线的尺寸以及最低共振主要是由一个波长的环形天线决定。考虑到较低微波频率条件下的波长较大,从物理角度来看,预计在此频段内天线较大。因此,为了利用上述结构的宽带性能,并且降低其尺寸,需要使用一个新型结构。

传统环形天线的边长为110 mm,在0.78 GHz的条件下,利用模拟器HFSS传统环形能够在上述基片上进行共振。为了能够在不增加天线尺寸的条件下降低环形天线的共振,在该天线上添加一对开槽。添加开槽最初是为了增强环形天线的指向性[11],除了能够激发出新的共振,还能够在环形天线的上部与下部之间产生电容耦合,并且将共振频率降至约为0.68 GHz,原因在于:通过添加开槽,共振天线分为一个波长的环形天线和半波长折叠偶极天线(2l1+l),在0.8 GHz的条件下产生共振。为了简化阻抗匹配并且扩展低频条件下的阻抗匹配,对开槽的尺寸进行调整以便产生相邻共振。

为了增强高频条件下(约为1 GHz)环形天线的阻抗匹配,传统方法是四分之一波长带应与环形天线之间有一定的间隔。但是,该方法会导致天线的尺寸增大。为了能够在产生新共振的同时将天线尺寸保持较小,添加尺寸为2(w3+l3)的半波长偶极天线。所以,在1 GHz的条件下能够产生新共振。但是,由于上述天线的高感应电抗以及低电阻,在0.72 GHz～0.96 GHz条件下阻抗匹配会下降,如图2所示。为了提升阻抗匹配并进一步提高天线的工作带宽,分别在环形天线和偶极天线上切开两个小型长方形开槽(ws+ls)以及一个直角梯形开槽。

图2 在0.72 GHz～0.96 GHz条件下的输入阻抗变化(同一图例)

1.3 参数设置

上述这些开槽能够增加天线的电阻,并且减少感应电抗,从而在0.64 GHz～1.13 GHz的条件下获得较大的相对带宽,即:55%。(就最低频率条件下的波长而言)天线的外形尺寸较小,即:0.23 mm×0.23 mm,是近期提出的设计[6,9]尺寸的一半。

建立天线模型,经过反复优化调整,通过调节各个参量,确定天线最终的尺寸为: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 天线性能验证测量

本文按照最终设计制成了本文提出的天线,并对其性能进行了测试。通过全波模拟结果和测量结果对天线的性能进行了测试,模拟结果和实测结果如图3所示。模拟结果与实测结果较吻合,但是由于工艺误差的原因造成了较小的差别。为了消除同轴电缆对天线性能的影响,在测量期间使用了铁氧体磁珠。如图3(a)所示,在0.65 GHz～1.15 GHz的条件下,天线的相对带宽较大,即:55%。图3(b)是天线的模拟效率和实测效率。在0.65 GHz～1.15 GHz的条件下,天线的效率大于70%。如图3(c)所示,在天线的工作带宽范围内,天线的增益较稳定,即:大于2 dBi,并且峰值为3.7 dBi。需注意,由于本文提出的天线是一种复合结构,其增益不会连续随着频率的增加而增加[7],主要原因在于天线的辐射机制,本文从表面电流分布的角度对其进行了说明,如图4所示。

图3 实测结果与模拟结果

在低频条件下,在环形天线上添加缝隙能够导致环形天线的上部与下部之间产生相位差,所以,天线可被描述为两个异相位偶极[11],如图4(a)所示。

图4 2种条件下的模拟表面电流

此外,天线(辐射器)(-y)方向的电流比天线(反射器)(+y)方向的电流大得多;所以,天线主要是在(-y)方向进行辐射。在高频条件下,交错偶极上的电流比反射器(天线的+y方向)上的电流大;所以,天线的辐射方向主要是(-y)方向。相较于低频条件下的表面电流(如图4(a)所示),反射器上的表面电流较大,从而在波带上限内主要辐射方向(-y方向)上的增益减少。另外,反射器上的电流与偶极上的电流同相,如图4(b)所示。

图5 3种条件下天线的实测远场方向图(上)以及近场方向图(下)

上述两个元件之间的有效空间距离约为波带上限内波长的一半(180°),也就是说,主要辐射方向(-y方向)上的有效增益不会随着正常趋势走,即:增益随着频率的增加而增加,但是实际上,该增益比波带下限内的增益小。

由于在医疗成像应用中天线运行时十分靠近人体,本文利用Aaronia AG(德国安诺尼公司)生产的近场探针[5,9]对天线的近场图形再一次进行了测量,该探针距天线20 mm;获得的归一化辐射方向结果如图5所示。根据结果我们可以得出下列结论,由于指向性比率超过4∶1,天线仍然在其近场保持单方向特性。本文对天线共振时的辐射方向图进行了测量,如图5所示。从图5(a)中可看出,在0.68 GHz的条件下,天线的峰值FBR为10.6 dB。根据上述分析可知,在0.85 GHz和1.1 GHz两种条件下,天线的FBR值均较低,分别为8 dB和5 dB。

3 肺水肿检测

在对天线的性能进行验证之后,我们将天线用于肺水肿检测系统中。肺水肿的最明显症状之一就是肺部积聚着液体(主要是水),能够改变该区域的介电特性[12]。利用基于无线电探测器的成像系统能够检测出介电特性发生了变化。为了实现检测介电特性变化的目标,根据本文提出的设计建造了一组16个元件的天线以便形成准椭圆形结构,包围着整个躯干,天线元件与躯干之间的距离始终约为2 cm,如图6所示。

图6 带有准椭圆形天线阵列的系统结构

天线与两个USB-8SPDT-A18型开关(图6中仅仅显示了一个开关)相连,两个开关是与便携式向量网络分析仪(VNA)的两个端口相连。本文利用包含成像算法的笔记本电脑对开关以及VNA的性能进行了控制。

为了模拟早期肺水肿的情况,将少量水(约为3 mL)倒入仿真人体躯干模型中肺部的下方;仿真人体躯干模型与平均人体躯干以及肺部、心脏、肋骨、肌肉和腹部的解剖大小一致[12]。利用单站数据采集方法进行了实验,即:每根天线均用于连续发射和接收。然后,使用基于频域的成像算法计算躯干内电磁场的强度,并利用捕捉到的反向发射信号形成二维图像。文献[13]详述了该算法。图7(a)和图7(b)分别是健康情况下和早期肺水肿情况下的图像。在早期肺水肿情况中,经观察可发现,强散射体位于倒入水的位置,(y,z)=(3,-2)。受检目标的强度比健康情况下的强度高3倍。

通过改变水的位置、使用羊肺(其组织特性与人体十分接近(图7(c)))以及Zubal模型(三维仿真人体躯干模型[13](图7(d)))模拟环境对上述结果进行了验证。通过实验获得的结果验证了本文设计的天线的有效性以及整个系统在检测早期肺水肿时的有效性。

图7 利用(b)仿真人体躯干模型、(c)羊肺以及(d)Zubal人体躯干模型

4 结论

为了满足基于宽带微波的医疗诊断应用程序(在低微波波段条件下运行)的要求,本文提出了一种小型单方向平面天线。在本文提出的设计中,偶极和环形交错式结构能够获得较宽的带宽。环形天线的立臂上有两个开槽,通过采用电容耦合和环形天线上部与下部之间的90°相位差能够降低第一共振并增强指向性。相较于其他设计,在0.65 GHz～1.15 GHz的条件下,天线相对带宽较宽即:55%,尺寸减少了50%,并且峰值增益和FBR值分别为3.7 dBi和10.6 dB。然后,本文提出的设计成功地检测出了仿真人体躯干模型中的早期肺水肿。由于具备小尺寸、宽带宽以及指向性辐射等特性,本文提出的设计能够用于各类医疗诊断应用程序的微波成像系统。

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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

1005-9490(2017)06-1398-06