磁共振成像用圆柱形宽带缝隙贴片天线

工程科学与技术，国际期刊20（2017）990完整文章磁共振成像用频率选择表面加载的圆柱形宽带缝隙贴片天线艾哈迈德岛伊姆兰a，塔哈A.埃尔维湾a伊拉克巴格达巴格达大学电子和通信工程系b伊拉克巴格达Al-Mammon大学学院通信工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年11月27日收到2017年2月26日修订2017年4月2日接受2017年4月28日在线发布保留字：FSSEBG有限元法折叠型材A B S T R A C T一种新颖的小型化印刷电路圆柱形天线被发明用于微波放射成像（MRI）应用。在设计方法上，研究了基于圆柱形频率选择表面的折叠超材料结构。最近提出了将MRI系统与超宽带（UWB）雷达相结合以改善功能诊断和成像过程。此外，MRI系统要求在整个感兴趣的频率范围内具有朝向宽边的固定方向的窄至约5dBi的定向射束，以适应机械特性。指导原则。因此，用50X指数激发的开槽三角形张开（STF）贴片提出了一种在两个匹配电路调谐器之间居中的弯曲传输线Transformer。贴片结构安装在聚四氟乙烯衬底上，背衬有部分缺陷接地（PDG）平面。为了提高天线的带宽和前后比，在圆柱形频率选择表面的基础上引入了同相反射面阵。在时域和频域求解器中，使用基于有限积分技术（FIT）的CST MWS商业软件包来此外，通过参数研究修改天线的尺寸，以达到最佳性能的天线带宽与最小的尺寸。天线的最佳尺寸为32 mm高，直径为20mm，工作频率为7.8 ~ 15 GHz，孔径增益为2 ~ 6 dBi。最后，所得到的结果重新评估使用有限元法（FEM）的基础上HFSS制定。从两个软件包的评价结果之间观察到一个很好的匹配©2017 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍微波成像技术的引入以及先进的信号和数据处理已经达到了包括乳腺癌检测在内的广泛应用[1]。然而，还没有考虑将整个系统及其终端封装在有限的紧凑体积中圆柱形天线显示了平面元件所不具备的几个理想特性;例如，易于安装，具有高性能和增强的覆盖角[2]。大多数癌症肿瘤可以从散射响应相对于未受影响的区域的差异成像;因此，它成为微波研究协会的一个有吸引力的方面[1]。这一方面是基于人体生物组织*通讯作者。电子邮件地址：taelwi82@gmail.com（T.A. Elwi）。由Karabuk大学负责进行同行审查[3]的文件。这些属性相对于入射波表现出不同的电磁响应，以创建微波图像[3]。在这种系统中，发射天线暴露被测样品，然后，散射波由接收天线或同一发射端检测[3]。因此，这样的天线应该是具有良好的前后比的高方向性。此外，天线扫描角必须有效地共形天线设计被提出来提供具有聚焦辐射图的高增益带宽产品[4]。在过去的十年中，FSS结构支持工程师操纵材料的固有参数，以控制和利用电磁波在某些模式下的传播。这些结构改善了整体天线性能，包括天线增益和带宽[5]。此外，FSS结构可以用作放置在天线贴片下方的反射器，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2017.04.0012215-0986/©2017 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch2W2WCtA.I. 伊姆兰，T.A. Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990-996991Fig. 1.建议的带有FSS的天线示意图：（a）前视图和（b）放大的横视图。图二.平面天线的示意图。表1带EBG结构的天线尺寸。描述符号数值（mm）基板宽度Wa 28基板长度La32贴片宽度Wt21扩口长度Cty1¼3： 18eRx- 11： 56Wc6x6Wt反射器长度（顶侧）Cfy2¼3： 06eRx-19： 56如[5，6]中的某个距离。此外，3D-FSS结构被证明可以在不同的入射角和偏振下提供频率稳定性[7]。FSS层可以被认为是薄的周期性结构，以在特定频带周围提供反射、透射或吸收特性。这些周期性结构被用作天线结构上的天线罩、空间滤波器、电磁带隙、反射器和吸收器[8，9]。的操作FSS层取决于许多因素，如工作频率，WcW t2千瓦g6x62反射器长度（下侧）Cry3¼1： 64eRx-18： 522WgWr6x62反射器长度Lf20馈线宽度Wc1.2接地层长度Lg8操作原理和制造技术[8，9]。在[10分形几何结构由不同的晶胞构成，以促进多频带操作，如[13，14]所示。在[15]中，两个频带锥形和锥形进料管线Wg0.2从基于希尔伯特曲线的晶胞获得。带通在[16]中提出了基于金属环的小型化周期性元件的FSS，该金属环具有在2 GHz至8 GHz之间工作的网格线，以增强天线性能;所提出的结构提供了对不同极化和入射角的稳定响应。八边形分形结构，[17]具有弯曲的边缘以改善单元电池的小型化。在[18]中，一个六边形分形晶胞设计了一个紧凑的FSS，图3.第三章。拟定的FSS示意图：（a）完整结构（前视图），（b）平面轮廓（放大视图）。反射器宽度向下Wr1.45分形宽顶Wfr2分形宽度向下WF0.1分形长度Lfr2.8短路板宽度Ws1.45短路板长度Ls0.5EBG晶胞宽度p3.6两个EBG相邻单元之间的间隙G0.4小行星992伊姆兰，T.A.Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990表2FSS晶胞的几何尺寸。表3建议的单位单元的电路参数描述符号数值（mm）参数值FSS宽度WFSS8L10.58 nHFSS长度LFSS5L20.46 nH实心板宽度W12C间隙0.51 pF实心板长度L13C20.85 pF实体接缝宽度W21实体接头长度L21.5实体连接宽度W30.5固体连接长度l3 0.25基板厚度H 0.5该层具有优异的稳定性，并且易于通过延长单元电池中的谐振长度来制造。在[19]中提出了一种集成到改进的耶路撒冷十字FSS的U形槽贴片天线，以改善蓝牙和WLAN应用在2.45和5.8 GHz下的天线增益、带宽和回波损耗。这项工作的目标是设计一种在7 GHz到19 GHz范围内的UWB天线，其主瓣具有稳定的增益，以满足UWB MRI系统的要求[20，21]。因此，将FSS层引入天线结构以改善天线增益，将方向性集中在整个感兴趣的频带上的前主瓣中，以适应MRI应用。基于TD和FD求解器的FIT论文的其余部分组织如下：在第二节中，我们提出了拟议的天线和FSS层的描述;在第三节中，我们讨论了微天线的辐射特性和性能带和不带FSS层的条形天线;最后，我们在第四节中总结了本文。2. 建议的圆柱形天线结构天线是折叠在一个圆柱形基板上，如图所示。1.一、基底被建模为聚四氟乙烯中空圆柱体，内径，r = 10 mm，介电常数er= 2.1，损耗正切= 0.009，一高度的h = 32 mm和一厚度的d = 0.5 mm。STF贴片和PDG平面的尺寸受[1]启发，并在表1中列出，如图2所示。在共形天线结构的努力中，贴片被成形为STF贴片，以增加有限区域内的电长度并确保在宽频带上的匹配使用指数互补微带线Transformer获取50X输入，将天线的阻力对于进一步的匹配增强，耦合一个弯曲开槽平面的匹配电路。弯曲的FSS结构被引入到圆柱形衬底的内表面，在接地平面的前面相对地，见图4。ADS模拟分析：（a）MTM单元的等效电路模型和（b）模拟的透射和反射系数。××A.I. 伊姆兰，T.A. Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990-996993图五、模拟了TE模和TM模在不同入射角下的反射特性见图6。所提出的单元格的检索的相对电磁参数：（a）介电常数和（b）磁导率。该层可以在宽的频率范围内提供同相反射。图3示出了所提出的FSS的架构设计，其由基于互补开口环谐振器单元的6 × 4相同焊盘阵列组成。对于该分析，沿着长度的单位单元的数量被认为是6，并且沿着宽度的单位单元的数量被认为是4。在上述设计中，单个单元的周期性结构由两个相对的矩形环形槽组成，在衬底的内表面上方的中间所有参数单位单元尺寸的详细信息见表2。晶胞的总长度为0.15k±0.25k，其中k为工作基频处的波长.晶胞的性能主要由其谐振频率和带宽表征，谐振频率和带宽是结构几何形状和基底介电常数的函数，也是电磁波的斜角和TE/TM偏振的函数[22]。所提出的单位单元被选择为从不同的入射角执行同相反射。这种特性可以通过沿宽度施加电容性间隙以及沿单元电池的长度施加电感条来获得。因此，与宽度相比，单位单元沿着长度的响应不同。 为了证明这一点，图4（a）中导出了基于集总元件的等效电路，图4（b）中评估了S参数响应。从评估结果发现，仅在10.2GHz处不显示反射，然而，在其它频率处提供明显的反射。在表3中，列出了所提出的单元电池的电路参数。FSS负责在除10.2 GHz以外的所有频率下提供反射。当天线放置在FSS上方一定距离处时，来自该层的反射相位改变。从天线朝向FSS的辐射波被同相反射，以与FSS反射器的相反方向上的出射波相长地相加相位延迟是随频率增加而增加的频率相关函数。然而，理想的FSS反射相位应随频率以相同的速率减小。在不同的倾斜角度图7.第一次会议。基于CST MWS数值计算结果的S11谱，有和没有FSS。994A.I. 伊姆兰，T.A.Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990见图8。有和没有FSS时，前瓣响应电平与频率的关系。见图9。不同频率下极坐标图中的模拟辐射图。角度（h = 0°至90 °），步长为15°。在TE入射的情况下，其倾斜角为h，法向入射保持不变，在10 GHz处显示阻带。通过将h的值增加到90°，谐振频率的轻微漂移几乎为图中观察到每个角度40MHz。 5（a）. 同时，由于高阶模的存在，出现了栅瓣对应-对于图5（b）中的TM入射，法向角的谐振频率从10 GHz偏移到8.7GHz，带宽随着角的增加而受到限制，具有稳定的频率响应。据观察，该结构的频率响应，为斜入射角高达90，是相对稳定的对于两种极化。--A.I. 伊姆兰，T.A. Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990-996995基本上，建议的单位单元的反射特性得到数值的CST MWS仿真环境中的频域求解器与自适应四面体网格的基础上，用于表示在相应的无限阵列的单位单元。周期性边界条件被应用在（x，y）平面上，并且Floquet端口被分配在z平面处，以便在与单位单元正交的传播方向上激发平面波。因此，TE和TM偏振平面波的入射角由h参数清楚地限定。在不同的倾斜角度（h = 0° ~ 90 °）下，以15°的步长进行了单胞阵列的透射响应。本文还计算了该材料的复有效介电常数和复有效磁导率通过使用Nicholson Ross Weir（NRW）算法[8]，可以在整个频率范围内提取设定的FSS晶胞。如图6所示，弯曲的FSS分布在传输频带中工作，如在10.2GHz处具有负介电常数和磁导率的LHM。值得一提的是，检索的电磁参数的基础上获得的数值S参数结果从CST MWS模拟评估。所提出的单位单元位于虚拟波导内部，以执行施加到波导侧面的TEM样模式顶壁和底壁被指定为完美的电耦合器，而另外两个壁被指定为完美的磁导体，以模拟无限阵列的行为。3. 模拟结果和讨论CST MWS进行的仿真研究了天线性能;应用了两个收敛标准。通过应用从初始（20，26，和28）开始的自适应网格，18)分别沿x、y和z方向，网格线比率限制为30。在中心频率的k/8处，在垂直入射下反射系数为10- 4的网格分布固定在20，以达到在将能量降至最大值以下40 dB后，每两个连续通道之间的收敛标准为2%其次，执行最细网格测试以提供所需的准确度，以通过将能量水平从-40dB改变到-80dB来计算频域中的天线参数，其中在监控增益和S11频谱期间，步长为-10dB现在，天线性能的S11和口径增益方面进行了研究，没有FSS和FSS结构的两种设计，进行比较。数值结果表明，第一谐振频率接近3.1GHz，但天线带宽在10 dB以下，引入频率选择表面后提高到82.3%，覆盖7.5 ~ 18 GHz的频率范围，如图所示。7.第一次会议。FSS层充当UWB天线的反射器，并且能够在整个频带上获得低后瓣电平和高前后比，如图8所示。FSS结构具有独特的压制表面波和反射相平面波的特性。但是为了获得最大的反射，相对于天线的FSS变得不可替代。在E平面（XZ平面，u= 0）和H平面（YZ平面，u= 90）上研究了整个UWB频段的天线辐射。在选定的频率范围内，有和没有频率选择表面的天线的远场辐射特性在图9中示出了（3.1、5.2、7.8、10.2、15.6和17.5）GHz的频率范围。与未加频率选择表面的圆柱天线相比，加频率选择表面反射面的圆柱天线后向波电平从3.1 GHz明显降低到17.5 GHz。由此可见，频率选择表面是提高天线前后比是值得见图10。来自CST MWS和HFSS软件包的模拟天线性能：（a）S11频谱和（b）孔径瞄准增益频谱。×小行星996伊姆兰，T.A.Elwi/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）990前面已经提到，频率选择表面在10.2 GHz处表现出NRI，因此，有或没有频率选择表面的辐射特性几乎相同最后，使用CSTMWS使用TD和FD求解器的HFSS解决方案基于有限元公式的天线结构的性能进行评估。图10中给出了增益和S11频谱方面的天线参数。图10（a）中给出了从两个软件包中评估的孔瞄准器增益谱。基于FSS结构的天线设计通常，在3.1 GHz处发现具有FSS的天线增益的出色增加，具体地从2.5 dBi增加到6.4 dBi。之前采用的程序是为了验证天线的性能。此外，贴片长度和馈电位置的数值调整，以保持天线的带宽和增益，以满足MRI的要求，所获得的结果之间具有良好的匹配。4. 结论本文设计并仿真了一种基于STF贴片的圆柱形微带天线。本设计的目的是简化天线剖面，提高MRI系统的所得到的天线的优点是在小的圆柱形基板上弯曲的FSS结构，尺寸为32 mm 20 mm，具有低的F/B比，以适应MRI应用。该设计已优化和验证使用CST MWS和HFSS软件包。最后，圆柱形天线具有高增益带宽积，以覆盖从7.5 GHz到18 GHz的频率范围此外，在工作频带内的辐射图案是相对可接受的，并且发现膛瞄准增益从4 dBi变化到6 dBi。同相反射面的加入对天线增益的大小没有影响，但主瓣方向反转了180°。确认作者要感谢工程学院/电气工程系在芬欧汇川在数值模拟过程中的宝贵支持。引用[1] T.A.艾尔维人工智能Imran，Y.陈志华，一种小型化微带天线，应用于高增益频宽积应用，硕士论文。电磁铁。Res. 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