一种用于乳腺肿瘤微波检测的专用小型超宽带开槽天线的制作方法
【专利摘要】本发明属于生物医学检测领域，涉及一种用于乳腺肿瘤微波检测的专用小型超宽带开槽天线，包括位于天线背面的开槽地极，天线正面包括天线极子、馈电连接器，其中，天线极子为叉指馈电极子，其长度L=12mm，宽度W=10mm，两个叉指的间距W1=2.2mm，每个叉指的宽度W2=0.7mm，叉指的长度L3=4.8mm；所述的馈电连接器为贴片型的SMP同轴连接器；开槽地极的开槽结构尺寸为：宽度Wslot=8.7mm，长度Lslot=2.6mm，开槽距天线底部的距离Lshift=5.1mm；微带线的尺寸为：宽度W3=0.5mm，微带线长度L2=2.1mm。该天线具有尺寸小，频带宽，方向性强，单向增益高的优点。
【专利说明】一种用于乳腺肿瘤微波检测的专用小型超宽带开槽天线
所属【技术领域】
[0001]本发明属于生物医学检测领域，涉及一种微波探测用天线。
【背景技术】
[0002]乳腺肿瘤是女性发病率最高的恶性肿瘤疾病，死亡率居妇女恶性肿瘤死亡率之首。早期乳腺肿瘤的诊断无疑对于提高乳腺病的治疗率以及患者的远期成活率都具有决定性意义。目前常用的早期乳腺癌的检测方法包括乳腺X线摄影术、超声波影像技术、计算机断层扫描、核磁共振成像技术、热成像检测等，但诸多方法均存在一定的缺点，如对人体产生辐射伤害、成像对比度低、费用较高等。超宽带电磁波检测乳腺癌的原理在于不同生物组织对电磁波的吸收、反射及透射特性不同，使得天线发射的脉冲信号在乳腺组织中传播时所产生的电磁场能够反映恶性组织的丰富信息。同时超宽带微波信号具有辐射功率低、目标信息携载量大、提供毫米级定位和检测成本较低等优点，能作为早期乳腺检测的常规手段。为了实现上述超宽带的优点，超宽带天线的设计至关重要。常规的超宽带天线通常是用于向空气中发射电磁波，此类天线应用于肿瘤检测时会在空气与皮肤层界面处产生较大的反射，降低检测质量。且通常此类天线尺寸较大，而乳房的尺寸相对较小，大尺寸天线不太适用于乳腺肿瘤检测。因此有必要开发适用于乳腺肿瘤检测应用的小型超宽带天线。
【发明内容】
[0003]为了有效地利用超宽带微波检测系统中对乳腺肿瘤进行探测，本发明提供了一种接触式超小型的超宽带平面天线。
[0004]一种用于乳腺肿瘤微波检测的专用小型超宽带开槽天线，包括位于天线背面的开槽地极，天线正面包括天线极子、馈电连接器，其中，天线极子为叉指馈电极子，其长度L=12mm,宽度W=IOmm,两个叉指的间距Wl=2.2mm,每个叉指的宽度W2=0.7mm,叉指的长度L3=4.8mm ;所述的馈电连接器为贴片型的SMP同轴连接器；开槽地极的开槽结构尺寸为:宽度Wslot=8.7mm,长度Lslot=2.6mm,开槽距天线底部的距离Lshift=5.1mm ;微带线的尺寸为:宽度W3=0.5mm,微带线长度L2=2.1mm,微带线距天线底部的距离Ll=4mm ；SMP同轴连接器的焊盘尺寸为:焊盘为正方形，边长L5=5.5mm,中心开口圆半径Rl=lmm。
[0005]所述的焊盘的上开设有缺口，缺口的宽度W4=l.36mm ；W5是焊盘下部设置有缺角，缺角到圆中心的距离W5=2.9mm。
[0006]该天线整个尺寸只有12mmX IOmmX0.635mm,能够大量地排列在乳房表面形成天线阵列，这样就能获取足够多的信息来对乳腺肿瘤进行检测。该天线具有尺寸小，频带宽，方向性强，单向增益高的优点，非常适合于乳腺肿瘤检测系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1天线结构示意图，(a)为天线馈面，(b)为天线背面。
[0008]图2SMP同轴连接器。[0009]图3天线加工实物尺寸对比图。
[0010]图4天线回波损耗的仿真与测量结果(置于生物组织表面)。
[0011]图5天线在空气中回波损耗。
[0012]图6不同频率下天线的辐射方向图:(a) 3GHz ; (b) 5GHz ; (c) 7GHz ; (d) 9GHz。
[0013]图7天线的组织朝向增益。
[0014]图8组织模型及3x3天线阵列示意图。
[0015]图9三维共焦成像结果(a) z=24.5mm时，x_y平面切片(b) y=53.5mm, x_z平面切片。
【具体实施方式】
[0016]本发明的天线背向采用金属地极开矩形槽处理，天线极子采用叉指结构的单极子激励。开槽地极增加了天线的有效电尺寸，金属地极开矩形槽后，形成环形金属地极，地极电流由原来的金属膜内环流改成沿着金属膜边框的环流模式，电流的环形流动增加了天线的电尺寸，该方法可有效增大天线阻抗带宽，降低天线最低频率。天线辐射极子由馈线分裂为一个叉指型单极子，以在一个宽频范围内激发地面开槽。
[0017]为了使得天线能量能够充分地辐射进入乳房内部，以获取足够的信息，本天线被设计为工作在与人体组织接触的环境中。为了减小天线尺寸，同时使得天线能够与皮肤完全贴合，该天线采用了贴片型SMP同轴连接器。通过对天线进行结构调整优化，最终得到上述尺寸，整体长宽为12mmX10mm，通过仿真模拟，得到了良好的超宽带性能以及较好的方向性。按照该尺寸对天线进行加工，并紧贴于生物组织进行测试。在测试使用时，为了充分排除天线与皮肤之间的空气，于天线与皮肤之间涂抹一层很薄的凡士林。仿真与实测结果表明了该天线的超宽带特性以及良好的方向特性。该超小型天线由于尺寸小，可大量地排布在乳房表面，能够很好地应用于超宽带微波肿瘤检测系统。
[0018]同轴连接器焊盘尺寸为，L5=5.5mm, L4=3mm, L6=2.5mm, W5=2.9mm, W4=l.36mm，Rl=Imm, Dl=0.6mm。
[0019]图1中天线馈面的下半部为连接器的焊盘结构，其中4个通孔是用于连接器引脚穿过，以连接焊盘面与接地面。L5为焊盘轮廓大小，为正方形。L6是中心开口圆大小，Rl是圆半径，W4是焊盘上端缺口的宽度。Dl是4个通孔的直径，L4是两通孔中心间距。W5是焊盘下部缺角到圆中心的距离。
[0020]本发明的天线采用Duroid6010作为基板，相对介电常数为10.2，厚度为0.635mm,介质损耗角正切tan 5 < 0.0023。
[0021]对天线背向金属地级进行开槽处理，馈电极子采用叉指结构激励。天线的结构如图1所示，图1 (a)为天线馈面，图1(b)为天线背面。本天线采用贴片型小型同轴连接器SMP作为馈电连接器。SMP同轴连接器如图2所示。
[0022]其中L是天线的整个长度，W是天线的整个宽度。
[0023]L3是叉指馈电极子的长度，Wl是两个叉指馈电极子的间距，W2为馈电极子的宽度。
[0024]L2微带线长度，W3是微带线宽度。LI为微带线距天线底部的距离。
[0025]天线背面中，Lslot是开槽的长度，Wslot是开槽的宽度。Lshift是开槽距天线底部的距离。
[0026]馈电间隙由1^11丨代，1^1，1^2共同决定，为1^1+1^2-1^111代。
[0027]图1中天线馈面的下半部为连接器的焊盘结构，其中4个通孔是用于连接器引脚穿过，以连接焊盘面与接地面。L5为焊盘轮廓大小，为正方形。L6是中心开口圆大小，Rl是圆半径，W4是焊盘上端缺口的宽度。Dl是4个通孔的直径，L4是两通孔中心间距。W5是焊盘下部缺角到圆中心的距离。
[0028]通过仿真软件CSTMWSTUD10进行参数优化，通过调整馈电间隙、微带线的长度、叉指的间距、叉指的宽度来调节天线的辐射带宽。
[0029]由于该天线是用于肿瘤检测系统，需要考虑生物组织对天线的影响，因此在进行模拟时，需在天线环境中加入皮肤等组织。
[0030]最终得到天线尺寸，整体大小为W=IOmm, L=12mm。
[0031]其中，叉指馈电极子的尺寸为，Wl=2.2mm, W2=0.7mm, L3=4.8mm。
[0032]微带线的尺寸为，W3=0.5mm, L2=2.1mm, Ll=4mm。
[0033]开槽结构尺寸为，ffslot=8.7mm, Lslot=2.6mm, Lshift=5.1mm。
[0034]同轴连接器焊盘尺寸为，L5=5.5mm, L4=3mm, L6=2.5mm, W5=2.9mm, W4=l.36mm,Rl=Imm, Dl=0.6mm。
[0035]由于天线是用于肿`瘤检测系统，与常规工作在空气环境中的通讯天线不同，为了减少空气与皮肤之间的强反射，该天线被设计为与人体组织接触式天线，这样就保证了能量能够充分地辐射到乳房内部，以获得足够的信息。因此在进行设计时，需考虑生物组织的影响，在设计仿真时将其至于皮肤等组织之上，在进行模拟时，需在天线环境中加入皮肤等组织。
[0036]通常通讯天线采用的是SMA型号的同轴连接器，这种连接器具有相对较大尺寸。为了适合本天线的超小尺寸，本天线采用贴片型同轴连接器SMP，这种同轴连接器尺寸小，且能够垂直地焊接在天线表面，使得天线背面在检测时能够完全贴在人体皮肤之上。
[0037]该天线是专门用于乳腺肿瘤检测系统的，其工作在与人体组织接触的环境中。使用时将开槽地面贴于皮肤进行，为了充分排除皮肤与天线间的空气，在皮肤与天线之间涂抹一层很薄的凡士林。
[0038]本发明的天线的最终尺寸为12mmX IOmm,厚度为0.635mm,微带天线的尺寸微小，材料获取简单，制作工艺成熟，可作为阵列天线集成印制在同一块PCB板上。加工的天线实物如图3所示。
[0039]按照设计的尺寸加工天线，并进行测试，天线的回波损耗Sll曲线如附图4所示。天线的仿真-1OdB回波损耗(Sll)频率覆盖范围从3.1GHz到9.5GHz，带宽为6.4GHz。实测天线在2.5GHz到9.1GHz的范围内，除了 4~5GHz回波损耗略大于-10dB，其他频段的回波损耗都在-1OdB以下，带宽约为6.6GHz,具有良好的超宽带特性。
[0040]本天线是设计工作在与组织接触的环境中，作为对比，将天线置于空气环境中进行了测试，图5为天线在空气中时实测结果，可以看出该天线在空气中不具有超宽带特性，只在高频处表现出窄带特性。
[0041]在超宽带微波检测系统中，主要考虑的问题空间是生物组织内部，因此天线应尽可能地将能量朝着生物组织方向辐射。图6是天线在不同频率的归一化后仿真辐射方向图。由图可知，天线具有很好的方向性，3GHz、5GHz时天线前后比(以朝向组织内部为前向)大于10dB，7GHz时大于7dB。在9GHz时天线向空气中辐射能量略大于向组织中辐射能量，这是因为组织损耗的影响，导致高频时更多能量向空气中辐射，但是此时天线朝向组织方向的增益依然在4.7dBi，满足肿瘤检测的要求。
[0042]图7是天线在3?9GHz频带内的组织朝向增益，由图可以看出天线的组织朝向增益在整个频段范围内除了 3GHz以外，基本都在5dBi左右，其中天线的中心频率5GHz处的增益达到了 5.7dBi。
[0043]图8是利用该天线形成3x3阵列进行乳腺肿瘤检测实验的模型。该模型由皮肤、脂肪、肋骨层构成，一个直径3mm的肿瘤被放置在x=55mm, y=55, z=24mm处。共焦成像结果如图9所示，从中可得到正确的肿瘤信息。
【权利要求】
1.一种用于乳腺肿瘤微波检测的专用小型超宽带开槽天线，包括位于天线背面的开槽地极，天线正面包括天线极子、馈电连接器，其中，天线极子为叉指馈电极子，其长度L=12mm,宽度W=IOmm,两个叉指的间距Wl=2.2mm,每个叉指的宽度W2=0.7mm,叉指的长度L3=4.8mm ;所述的馈电连接器为贴片型的SMP同轴连接器；开槽地极的开槽结构尺寸为:宽度Wslot=8.7mm,长度Lslot=2.6mm,开槽距天线底部的距离Lshift=5.1mm ;微带线的尺寸为:宽度W3=0.5mm,微带线长度L2=2.1mm,微带线距天线底部的距离Ll=4mm ；SMP同轴连接器的焊盘尺寸为:焊盘为正方形，边长L5=5.5mm,中心开口圆半径Rl=lmm。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的焊盘的上开设有缺口，缺口的宽度W4=l.36mm ；W5是焊盘下部设置有缺角，缺角到圆中心的距离W5=2.9mm。
【文档编号】H01Q1/38GK103811856SQ201410025219
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】肖夏, 宋航, 王梁 申请人:天津大学