面向生物医学应用的超宽带天线设计、实现和性能分析

论文摘要

天线作为通信系统中非常重要的前端组件,充当着系统的“眼“和“耳”,广泛地应用于医疗、军事和商业等设备上,因而,新型天线的研究在工业界和学术界吸引了很多关注。由于天线对整个系统性能和效率的影响,选择正确的天线至关重要。同时,天线还需要满足系统在尺寸、重量、环境和机械动作等方面的设计需求。因此,选择和设计合适的天线是一项极具挑战性的工作。本文的研究工作主要围绕生物医学中应用天线的设计与实现、性能观测与分析、测试与测量等方面展开。两项工作分别是针对微波生物医学检测和成像诊断以及用于医学监护体外通信的无线体域网（WBAN）设备。首先,针对人体生物测量,本论文提出了一种紧凑型天线的设计（称为微波人体透镜）,并证明了该人体透镜在人体不同部位具有微波透射检测能力,能够探测到在大脑假体模型里直径为1厘米的目标。通过对两种双脊喇叭天线（Double Ridged Horn,DRH）在三种不同的媒介（空气、类似于人体的媒介和水）中运行的比较分析,基于天线的外形尺寸、媒介介电常数和工作带宽等因素,本论文设计的微波人体透镜具有体积小,且无需浸入媒介可以直接接触人体进行微波探测,可以独立或集成到生物医学应用。本论文同时进行了低成本、高可靠天线性的制作方法研究。该人体透镜的操作频率覆盖了微波频带0.5–3.0 GHz(其S11在-7 dB以下)。由于该紧凑型天线在介质上与人体的介电常数匹配,可以作为在RF生物医学领域通用的微波探针。其次,为提高微波成像系统的穿透能力,优化了两种不同类型的天线。作为一种非入侵的技术,0.5–3 GHz频带的微波成像技术已证明能够以较低成本得到功能性和病理学医学图像,但是,在实际使用中能得到真实可用的图像仍然是巨大的挑战,其中一个困难在于天线发射的微波信号在穿过生物体成像时必须具有足够的穿透性。因此,对于第一类天线,本论文在考虑衍射和介质损耗影响下,研究了E平面扇形喇叭天线的不同孔径设计,以得到更好的一致性电场辐射,并优化了天线设计从而保证信号具有需要的带宽和足够的大脑穿透性。本论文进一步研究了垂直和横切天线孔径的电场分布。此外,对于第二类天线,本文研究了工作于远场的定向辐射波纹锥形槽天线（Tapered Slot Antenna,TSA）。这个天线由通过槽线的阶梯式传输线激励,并加入波纹用于减小天线尺寸及改善其辐射性能。仿真和测量结果表明,所提出的天线能够工作在0.5–4.1 GHz的带宽,并且能够实现定向辐射模式,使得微波信号具有足够的穿透性和可接受的成像分辨率。接下来,本论文提出了一种柔性化、轻质小型超宽带天线,用于集成在无线体域网系统。该超宽带天线工作范围为3.1–10.6 GHz,带宽为7.5 GHz。采用物理和化学性能均较良好的聚酰亚胺作为天线基材,使其具有柔性化。天线尺寸为35×30×0.18 mm3,包括一个对称L型单极子辐射单元和一段改进的共面波导（Coplanar Waveguide,CPW）馈线。为检验其基材抗负面影响能力,该天线分别在不同使用环境下进行了测试:自由空间、弯曲状态下、近人体处和恶劣天气,结果显示仿真和实际测量性能都获得较好的一致性。所设计的天线具有体积小、舒适性和良好的辐射特性,适合于可穿戴超宽带体域网的体外通信。本论文结合应用,对所设计天线进行了深入研究、参数分析和实验验证,证明其满足了系统对功能和性能两方面需求。获得了符合系统要求的实验结果。通过与现有系统的比较,具有良好的特性,在该领域体现出新的进展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Chapter1 Introduction
•   1.1 Research Background and Significance
•   1.2 Literature Review
•     1.2.1 Antennas for Microwave-based Medical Diagnostic Systems
•     1.2.2 Wearable Antennas for WBAN systems
•   1.3 Shortcomings of the Existing Work
•   1.4 Problem Statement
•   1.5 Research Objectives,Procedure and Innovation
•     1.5.1 Objectives
•     1.5.2 Procedure
•     1.5.3 Innovation
•   1.6 Thesis Outline
• Chapter2 Related Theory
•   2.1 Introduction
•   2.2 Antenna
•     2.2.1 Antenna Radiation Mechanism and Equivalent Electrical Circuit
•     2.2.2 Analysis of Radiated EM Fields
•     2.2.3 Antenna Design Process Flow Chart
•   2.3 Horn Antenna
•     2.3.1 E-plane Sectoral Horn Antenna
•     2.3.2 Pyramidal Horn Antenna
•     2.3.3 Pyramidal Horn Design Steps
•   2.4 Coplanar Waveguide
•     2.4.1 Analytical Expressions to Determine Effective Dielectric Constant and Characteristic Impedance
•   2.5 Tapered Slot Antenna
•   2.6 Dielectric Properties of Biological Tissues
•   2.7 Software Tool and Experimental Instruments
•   2.8 Summary
• Chapter3 3-D Printed UWB Microwave Bodyscope for Biomedical Measurements
•   3.1 Introduction
•   3.2 Initial Study
•     3.2.1 Design and Simulation
•     3.2.2 Fabrication Procedure
•     3.2.3 Results and Conclusion of Initial Study
•   3.3 Microwave Bodyscope
•     3.3.1 Design and Simulation
•     3.3.2 Bio-dielectric Material
•     3.3.3 Fabrication Procedure
•     3.3.4 Experimental Setup Description
•     3.3.5 Experimental Results
•   3.4 Summary
• Chapter4 Profile Optimized Antennas for Medical Microwave Imaging Systems
•   4.1 Introduction
•   4.2 Profile1:E-plane Sectoral Horn Antenna
•     4.2.1 Schematic Diagram
•     4.2.2 Model
•     4.2.3 Electric Field Amplitude and Phase
•     4.2.4 Electric Field Distribution
•   4.3 Profile2:Tapered Slot Antenna
•     4.3.1 Antenna Design
•     4.3.2 TSA Performance in the Presence of Brain and Breast Models
•   4.4 Summary
• Chapter5 Flexible UWB Wearable Antenna for Off-body WBAN Communication
•   5.1 Introduction
•   5.2 Antenna Design
•     5.2.1 Parametric Study
•   5.3 Results and Discussion
•     5.3.1 Antenna Performance in Free Space
•     5.3.2 Bending Evaluation
•     5.3.3 Antenna Performance on Human Body
•     5.3.4 Adverse Environment Effects on Antenna Substrate
•   5.4 Summary
• Chapter6 Conclusion and Future Work
•   6.1 Conclusion
•   6.2 Future work
• References
• Acknowledgement
• List of Publications

文章来源

类型: 博士论文

作者: Saba Rashid

导师: Ding Yongsheng,Hao Kuangrong

关键词: 天线,微波,生物医学,超宽带,打印,频率,阻抗带宽,单极天线,可穿戴

来源: 东华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,电信技术

单位: 东华大学

基金: the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (no. 61134009),the National Natural Science Foundation of China (no. 61473078),Program for Changjiang Scholars from the Ministry of Education,Project of the Shanghai Committee of Science and Technology (no.14510711600)

分类号: R318;TN822.8

DOI: 10.27012/d.cnki.gdhuu.2019.000602

总页数: 140

文件大小: 4368K

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