应用于乳腺癌检测的介质天线设计与实现

摘要

随着微波技术的迅猛发展，微波技术的应用已经深入到生产生活的各个方面，其应用已不局限于通信系统。微波治疗，微波检测等也成为微波技术研究与应用的新方向。而作为电磁能量辐射装置（微波检测中也为接收装置）的微波探头是微波治疗和微波检测系统中的关键组成部分，其性能的好坏不仅仅关系到系统能否正常辐射或接收电磁波，还影响着系统的工作效率和检测精度。通常微波检测技术用到的探头都具有宽频带，小型化的特征。特别是应用于医疗微波无创检测技术的探头，由于作为检测对象的人体尺寸的限制，对探头小型化的要求将更加苛刻。
　　乳腺癌是对女性危害最大的恶性肿瘤之一，早发现、早治疗是患者被治愈和延长生命的关键。相比于早期乳腺癌检测的其他手段，微波检测技术成本低廉，检测结果更加可靠，安全性更高。乳腺癌早期微波检测技术已经成为国内外研究的热点。
　　本文研究了应用于早期乳腺癌微波检测技术的介质谐振天线，根据指标要求设计了三组应用于早期乳腺癌检测的介质谐振天线，三组天线分别工作在L、S波段的三个不同的频段，以兼顾探测深度和准确性。每组内均为一发一收两个天线。其中发射天为线左旋圆极化天线，接收天线为右旋圆极化天线。三组天线工作时环绕目标呈120°排列，每组中的接收天线和发射天线并排摆放。各组天线轮流完成对病灶的照射和反射信号的接收，将接收到的信号进行处理，得到最终的微波成像图。本文在设计微波探头的过程中，将辐射背景的电磁特性考虑在内，使得仿真结果与天线的实际应用状态更加吻合。并研究了辐射背景介电常数在小范围内变化时天线阻抗带宽，轴比带宽和方向图的变化规律，以模拟对不同个体进行检测时由于个体自身介电常数的差异造成的探头工作状态变化的规律。选用相对较高的介电常数实现小型化，用一个不等长的正交十字耦合缝隙实现圆极化，将两条缝隙的长度对换后，圆极化的旋向就会发生改变，采用带状线馈电来增强电磁屏蔽并减小后向辐射。最终三组天线实现的仿真阻抗带宽分别为35.98％、51.4％、52％，3dB轴比带宽分别为14.7％、15.22％、13.8％。天线的仿真增益为8dB左右。在接收天线中集成低噪声放大器，以提高接收天线接收信号的能力。最终实测结果在所需频带内发射天线电压驻波比都在2dB以下，接收天线电压驻波比都在2.5dB以下，满足设计指标要求。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 乳腺癌检测的发展现状

1．2．1 乳腺癌的危害及现状

1．2．2 乳腺癌检测方法

1．3 介质谐振天线优点及研究现状

1．3．1 介质谐振天线的优点

1．3．2 介质谐振天线研究进展

1．4 乳腺微波成像检测技术及天线方案的确立

1．5 本文的研究内容及论文内容安排

2 介质谐振天线理论

2．1 天线常用指标参数

2．2 介质谐振天线及谐振原理介绍

2．2．1 介质天线简介

2．2．2 介质谐振天线谐振原理

2．2．3 介质谐振天线的分析方法

2．3 矩形介谐振天线求解方法

2．3．1 矩形介质波导模型

2．3．2 矩形介质谐振天线的辐射特性

2．4 圆柱形介质谐振天线求解方法

2．4．1 圆柱形介质谐振天线的分析方法

2．4．2 圆柱形介质谐振天线的模式分析

2．5 介质谐振天线形式的选取

2．6 本章小结

3 介质谐振天线的馈电及圆极化的实现

3．1 介质谐振天线的馈电机制

3．1．1 介质谐振天线耦合理论

3．1．2 缝隙耦合馈电

3．1．3 同轴探针馈电

3．1．4 微带线馈电

3．1．5 共面波导馈电

3．1．6 介质镜像波导馈电

3．2 圆极化理论介绍

3．2．1 圆极化波的优点

3．2．2 圆极化波的参数

3．3 介质谐振天线圆极化的实现方法

3．3．1 单点法实现圆极化

3．3．2 多点馈电法实现圆极化

3．3．3 多元法实现圆极化

3．4 本章小结

4 圆极化介质谐振天线的设计

4．1 天线辐射背景的研究

4．1．1 乳房组织与肿瘤组织的电磁特性

4．1．2 天线在介质背景下的辐射特性分析

4．2 天线的设计

4．2．1 天线的设计指标及要求

4．2．2 天线辐射单元的设计

4．2．3 实现圆极化的馈电网络选取

4．2．4 仿真环境的介绍

4．2．5 天线的仿真

4．3 本章小结

5 介质谐振天线的测试及结果分析

5．1 低噪声放大器的设计与实现

5．1．1 低噪放的技术指标

5．1．2 低噪声放大器的设计

5．2 发射天线的测试及结果分析

5．3 低噪声放大器的测试

5．4 接收天线的测试

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

声明