一种双极化、超宽带柔性微带贴片天线

1.本发明属医疗成像与天线技术领域，涉及一种可应用于肿瘤成像与监测的双极化、超宽带柔性微带贴片天线。
技术背景
2.多年以来，乳腺肿瘤已经发展成为危害全世界女性身心健康的恶性肿瘤之一，已经取代子宫癌成为女性癌症患者死亡的主要因素。在经济发达的沿海地区，乳腺癌的发病率已经位居所有女性恶性肿瘤的首位。由于乳腺肿瘤位于体表，所以乳腺癌的诊断相对于其他癌症如胃癌、肝癌等更容易，并且检查的方法有很多，因此乳腺癌患者经过早期的诊断和积极的治疗，能够得到比其他癌症更好的治疗效果。
3.随着互联网+医疗时代的到来，智能医疗以及智能穿戴设备成为未来医疗发展的必然趋势。智能穿戴设备可以在不影响人体正常活动的情况下对人体健康状况进行观测，这也为乳腺癌的早期监测带来了契机。其中，基于超宽带天线技术的乳腺肿瘤成像成为可穿戴医疗设备的热门技术之一。目前超宽带成像天线主要以单极化天线为主，并且国内技术研究大多只存在理论分析，试验系统验证还比较缺乏。可穿戴乳腺肿瘤监测系统主要面临以下问题：首先，系统的空间尺寸较小，如何利用有限的空间实现高性能的天线是需要考虑的首要问题；其次，为了满足穿戴的舒适性，天线基底应为柔性材料，因而，天线性能应对弯曲等变形具有鲁棒性；此外，由于天线与人体之间的距离较近，人体对天线的性能影响较大，因而需要设计对人体敏感度较低的天线。如何设计低剖面、超宽带、高鲁棒性的柔性天线系统，并结合成像算法，实现穿戴式乳腺肿瘤监测是亟待解决的难题。


技术实现要素：

4.本发明针对乳腺肿瘤监测系统面临的挑战，提出了双极化、超宽带柔性基片集成微带天线，结合肿瘤成像算法，将设计的天线阵列排布，实现了低成本、双极化、柔性、宽覆盖范围的肿瘤监测系统。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的解决方案如下：
6.一种双极化、超宽带柔性微带贴片天线，可应用于肿瘤成像与监测，所述天线结构主要包括弧形辐射缝隙1、两个近圆形辐射贴片a4和b5、单边cpw馈电结构，其中单边cpw馈电结构由微带线a3、微带线b6以及金属地板7组成。所述的弧形辐射缝隙1刻蚀在金属地板7上，金属地板7印刷在介质基板2的上表面。所述的近圆形贴片a4和b5为圆形贴片沿圆周裁掉一部分后所得，两个近圆形贴片裁掉部分的弦长相同，且两个近圆形贴片a4和b5沿着135
°
方向镜像对称设置。所述近圆形贴片a4、b5分别连接微带线a3、b6，其中，微带线a3、b6也沿着135
°
方向镜像对称，微带线a3、a6的中线分别穿过a4、a5的圆心并相交于介质基板2的中心。所述微带线a3和b6可以与探针连接，激励天线。a3、a4、a5、a6分别与介质基板2平行，并且印刷在介质基板2的上表面。
7.所述的弧形辐射缝隙1尺寸为完整圆弧的四分之三，弧形的圆心位于介质基板2的
中心。所述的近圆形贴片a4和b5设于完整圆弧另外四分之一弧形位置，且位于完整圆弧内部。所述的微带线a3、b6的延长线过介质基板2的中心，微带线a3作为馈电端口port1，微带线b6作为馈电端口port2。所述弧形辐射缝隙1的半径对应带宽的低频点，近圆形贴片a4、b5对应带宽的高频点。
8.当对上层金属地板7上的两个微带线a3、b6(馈电端口1和2)分别馈电时，会激励起te
120
和te
210
两个简并模，从而使弧形辐射缝隙1和近圆形贴片a4、b5产生辐射以此实现天线的超宽带性能。调节弧形辐射缝隙1的半径r2和近圆形贴片半径r1可以改变天线的阻抗，从而实现与微带传输线的阻抗匹配。天线的馈电结构以金属地板7为地板，结合微带线a3、b6组成单边共面波导(cpw)馈电。基于单边cpw馈电结构可以减小天线的尺寸，并有效改善端口之间的隔离度。图2可以看出两个正交天线端口之间的隔离度大于15db。图3为天线的方向图，可以看出两个天线的辐射远场相互垂直，其交叉极化分量小于15db,成功的实现了正交极化设计要求。
9.本发明的工作流程为：高斯射频信号通过射频接头连接微带线a3与b6，将信号输入，通过半径为r2的近圆形贴片和弧形辐射缝隙1，激励起工作谐振频率，形成宽频、双极化辐射。矢量网络分析仪分别连接双极化天线的双端口形成收发天线。在空间排布2
×
4的天线阵列，每个天线共面且都与xoy平行。记录各个位置的反射系数和传输系数，收集得到多组数据。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
11.1)本发明所述的超宽带天线具有低剖面、尺寸小和柔性的特点，为以后可穿戴系统需要的天线设计奠定基础。
12.2)本发明通过单边cpw馈电结构，将两个不同极化的天线实现了共面设计，有效利用了天线的空间尺寸，使得低剖面的天线具有双极化的特点，并且隔离度大于15db。不需要增加额外的元器件，仅调整天线结构就能实现高隔离度。在有限的空间内增加了天线的数量，提高成像精度。
附图说明
13.图1是本发明提出双极化超宽带柔性天线单元结构示意图；图1(a)为天线单元的正面示意图，图1(b)天线的背面示意图，图1(c)为天线的侧面示意图；
14.图2是本发明所述的双极化超宽带柔性天线单元在自由空间中的仿真s参数以及天线单元在乳腺上的仿真s参数；
15.图3是本发明提出双极化超宽带柔性天线在频点4.5ghz的辐射方向图；图3(a)是图1(a)中port1的辐射方向，对应着垂直极化方向，图3(b)是图1(a)中port2的辐射方向，对应着水平极化方向；
16.图4是本发明提出双极化超宽带柔性天线在频点5.5ghz的辐射方向图；图4(a)是图1(a)中port1的辐射方向，对应着垂直极化方向，图4(b)是图1(a)中port2的辐射方向，对应着水平极化方向；
17.图5是本发明提出的双极化柔性天线2
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4平面排布在乳腺的上方；
18.图6是本发明系统获取数据后的基于das算法的数据处理流程；
19.图7是本发明数据处理后的成像结果。
20.图中：1弧形辐射缝隙；2介质基板；3微带线a；4近圆形贴片a；5近圆形贴片b、6微带线b；7金属地板；8人体乳腺模型。
具体实施方式
21.下面的内容为说明书和技术方案，对本发明的细节进行详细阐述。
22.参考图1展示，所示的双极化超宽带柔性天线由圆弧辐射体部分1、圆形贴片4与5和单边cpw馈电结构三部分组成。天线整个尺寸为30mm
×
30mm
×
0.2mm，弧形辐射缝隙1的半径r2为12.8mm。近圆形贴片的半径r1为5.4mm，两个半径r1近圆形贴片4、5之间的开槽宽度c为0.4mm。介质基板2是介电常数为3.5，损耗正切角为0.002，厚度为0.2mm的环氧树脂材料。金属地板7的厚度为常见的0.035mm。微带传输线3、6宽度b为2.5mm，接地板的长度a为13.5mm。
23.图2为本发明提出的双极化超宽带柔性天线在自由空间仿真s参数。从图中所示的结果可看出，天线的工作频率为3.9ghz
‑
19ghz,两个正交极化端口的隔离度在超宽带频域内高于15db。
24.图3和图4是本发明提出的双极化超宽带柔性天线的两个辐射方向图。图3和图4分别为观察4.5ghz和5.5ghz频点时，两个端口在水平面的辐射。图3(a)和图4(a)对应端口1被激励时的远场方向图,图3(b)和图4(b)对应端口2被激励时的远场方向图。从图中可以明显的看到两端口所激发的远场分别是垂直和水平极化。由此可以充分证明了本发明所提出的柔性超宽带天线具有良好的双极化特征。
25.本次发明在理论设计的基础上，制作了由明胶和花生油构成的乳房组织，并搭建了乳腺癌症检测系统。如图5所示，整个检测系统由矢量网络分析仪、2
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4的天线阵列、人体乳腺模型8。收发天线的数据包含了模拟乳腺组织内介电常数的分布信息。在一定程度上，收集的数据越丰富意味着空间信息更准确。由于上述天线工作带宽较宽，在自由空间覆盖3.9
‑
19ghz频段，放置于乳腺附近时，覆盖频率为3.7
‑
20ghz。其低频频段有利于探测深度的增加，而高频频段有利于提高探测的分辨率。基于本发明所提出的双极化超宽带柔性天线，进行乳腺肿瘤的探测。其探测装置如图5所示，自由空间中放置乳腺模型，其介电常数和电导率分别为9和0.4s/m，将介电常数和电导率分别为50和4s/m的模拟肿瘤放置于乳腺内部。2
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4的天线阵列排布在人体乳腺的正上方，不同收发天线信号包含着肿瘤的位置信息。
26.如图6所示，矢量网络分析仪(vna)测量得到的天线阵列的数据会被完整保存下来并用于后期matlab成像算法的原始数据。两个乳腺模型的数据被分别测量，一个含有肿瘤，另外一个不含有肿瘤。本次试验，肿瘤大小为半径为5mm，中心的空间位置为x＝0，y＝0，z＝10。第一步：两组时域信号相减得到含有肿瘤特征信息的信号组。第二步：时域信号的时延。时延的大小为空间中各点传播到收发天线需要的时间。第三步：信号叠加，对于非肿瘤位置，其时延后的信号经过叠加，信号的幅值抵消而变小。而对于肿瘤位置刚好相反。最后一步为：窗口积分会得到空间任意位置的像素值。相对于非肿瘤的空间位置，肿瘤所在的空间位置的像素值比较大。
27.如图7所示，选取平面z＝15mm，空间范围选取x∈[
‑
30,30]，y∈[
‑
30,30]，基于图6所述的成像算法流程得到的成像结果。黄色区域部分即为系统分析得到的肿瘤的空间位置。与理论结果基本一致，证明了本次发明的系统的可行性。
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上述实例只为阐述本次发明的技术构成和特点，仅用于对本次发明进行详细的阐述，让熟悉该技术的人士能够了解本次发明的内容并提供一定的参考价值，并不能限制本发明的保护范围。凡是根据本次发明所作等效变化或修饰，都应该覆盖本次发明的保护范围之内。