一种用于早期癌症检测的新型超宽带天线设计

张平平 何小洋

摘 要：本文设计了一款新型的采用FR-4材料的超宽带天线，用于早期癌症检测。仿真结果表明，天线的工作频带达10.2GHz，从3.0GHz到13.2GHz，相对带宽可达125%，频带上的VSWR小于2且天线具有良好的方向性和增益，能较好地应用于微波成像技术系统中。

关键词：超宽带；开槽；微波成像技术

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0039-02

Design of a New Ultra Wideband Antenna for Early Cancer Detection

ZHANG Pingping1 HE Xiaoyang2

（1. Jiangxi Vocational and Technical College of Information Application，Nanchang Jiangxi 330043；2.Jiangxi University of Science and Technology，Nanchang Jiangxi 330200）

Abstract： In this paper， a novel UWB micro-strip antenna using FR-4 substrate was proposed for early cancer detection. Simulated results showed that the bandwidth of the antenna reaches 10.2GHz in the operating frequency range from 3.0GHz to 13.270 GHz， it means a relative bandwidth of 125%. The VSWR is less than 2 in the frequency band and the antenna have good directionality and gain， and it can be better applied to microwave imaging technology systems.

Keywords： ultra-wideband（UWB）；slot；microwave imaging

1 研究背景

當前，我国经济发展稳中向好，人民生活水平不断提高，大家都向往着美好的生活。但是，同样也存在一些棘手问题，使大家的幸福感降低，癌症就是其中之一，其已成人们健康的最大杀手之一。因此，迫切需要一项技术，及时发现癌症，以免耽误最佳治疗期。

当前，早期癌症检测主要依靠的是生物医学成像技术，如CT技术、MRI核磁共振技术、电阻抗成像技术等。但是，这些技术仍存在一系列问题，因此，研究一种新型的成像技术尤为重要。超宽带微波成像技术就具有这种潜力，该成像技术拥有众多优点，如低成本、无辐射、便于推广、高分辨率和高成像对比度等，其是一种优秀的早期检测技术[1]。超宽带天线是该成像技术的核心部件，其好坏会直接影响成像效果，因此，十分有必要对其进行进一步的探索研究。

2 天线结构设计

笔者设计了一款新颖的微带天线，使用的介质板材料为FR-4，介电常数为4.2，损耗正切为0.02，厚度为1.60mm。该天线的形状如图1所示，其中基板的一面为开了槽的六边形，另一面为长方形，馈电使用阻抗为50W的微带线[2-3]。在三维电磁仿真软件HFSS中建立该模型，如图2所示，然后对其进行仿真优化，确定天线的尺寸（见表1）。HFSS能较好地算出天线的各性能指标，如回波损耗、VSWR和方向图等。

3 天线的分析与仿真

首先，对比分析开槽前后天线的回波损耗S11。回波损耗是天线设计中需要关注的重要参数之一，其定义为入射功率与反射功率之比，一般越大越好，指标要求：S11<-10dB，仿真结果如图3所示。从图3可知，开槽后的S11值更大，表明开槽后天线的性能更好。天线的工作频带宽从3.0GHz到13.2GHz，相对带宽达到了125%。

其次，查看天线的电压驻波比VSWR。VSWR是波腹电压与波节电压的比值，一般要求在工作频带内保证尽可能小的驻波比，要求小于2。图4所示为天线的VSWR，从图中可知该天线的VSWR小于2。

最后，查看天线的方向图。图5（a）和（b）为天线在3.0GHz、6.0GHz、9.0GHz下的仿真图。从图中可知，所设计的天线方向性指标能满足微波成像要求。

4 结论

本论文设计了一种新型的微带天线，在辐射片上开了一U型槽，应用于微波成像技术领域。由仿真结果可知，这款天线的频率范围从3.0GHz到13.2GHz，带宽能达到10GHz，电压驻波比VSWR在频带范围内小于2，而且天线具有良好的定向增益和方向性，能较好地应用于早期癌症检测，具有较为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]吴小鹏.超宽带生物医学成像理论研究[D].南京：南京邮电大学，2008.

[2]N. Farrokh-Heshmat，J. Nourinia，C. Ghobadi. Band-Notched Ultra-wideband Printed Open-Slot Antenna Using Variable On-Ground Slits [J]. Electron. Lett.，2009（21）：1060-1061.

[3]Y. Zhang，W. Hong，C. Yu，et al. Design and implementation of planar ultra-wideband antennas with multiple notched bands based on stepped impedance resonators [J]. IET Microw. Antennas Propag.，2009（7）：1051-1059.