柔性平面微带天线的生物医学应用及性能研究

工程科学与技术，国际期刊35（2022）101112完整文章一种用于生物医学的低剖面柔性平面微带天线马里兰州Shazzadul Islama，S.M.Kayser Azamb，A.K.M.放大图片作者：Zakir Hossainc.你好，脊髓肌肉莫塔卡巴伯aa马来西亚雪兰莪州Gombak路53100号马来西亚国际伊斯兰大学电子与计算机工程系b马来西亚吉隆坡50603马来亚大学电气工程系c电信研究创新中心，Fakulti Teknologi Kejuruteraan Elektrik Elektronik，马来西亚马六甲技术大学，Jalan Hang Tuah Jaya，Durian Tunggal，马来西亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年7月9日收到2021年12月30日修订2022年2月3日接受2022年2月15日在线提供关键词：柔性天线X波段频率体内试验品质生物医学应用A B S T R A C T提出了一种基于柔性基板的低剖面平面微带天线。该天线采用共面波导馈电技术，在聚酰亚胺基片上的矩形贴片上插入椭圆形缝隙。建议的天线工作在7-此外，天线表现出4 dBi的平均增益，而平均辐射效率为92%。对于1 g质量，所提出的天线的最大SAR在整个带宽内低于1.0 W/Kg。为了观察柔性，分析了天线的四种不同弯曲条件。对于实验，天线已实现为原型，通过使用低成本的制造工艺。测试结果表明，样机的-10 dB带宽为5.4GHz。在体内测试过程中，在天线原型与人体胸部/鸡胸组织之间0 ~ 3 mm距离的变化范围内，回波损耗在3mm处达到最佳性能。所提出的设计的显着特点之一是其测量的平均和峰值增益分别为4.4 dBi和6.33 dBi，测量的平均效率为65%。该天线具有13×13mm2（0： 35kgx0：35kgx）的紧凑尺寸，即使在不同的弯曲条件下，其性能也保持名义上的恒定，这使得该天线适合于生物医学成像应用。引入了一种新的品质因数来评估基于不同天线关键参数的整体性能该天线可用于X波段的生物医学研究。©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍天线是无线通信系统的前端设备，在无线通信系统中主要用作基本部件它对自由空间中电磁波的发射和接收起着至关重要的作用现代通信系统显示出天线用于不同应用的不同用途，而不仅仅是用于通信目的，如便携式无线设备[1，2]，雷达应用[3]，生物医学应用[4]等。在最近的时间里，天线以两种不同的方式广泛用于不同的生物医学应用-植入人体或放置在身体表面，例如生物医学成像[5，6]。*通讯作者。电子邮件地址：zakir@utem.edu.my（A.K.M. ZakirHossain）。由Karabuk大学负责进行同行审查。为了解决人类健康问题，同时避免昂贵的医疗诊断设备，天线被用于微波和毫米波（mm波）频率的生物医学电磁成像（EMI），其中成像系统主要依赖于天线传感器及其工作带宽。在EMI中，电磁（EM）波从穿过感兴趣介质的天线发射，并由另一侧的另一天线（用于双基地）或天线（用于多基地）接收。当行波通过不同介电性质介质中的物体时，波响应发生变化在生物对象中，由于生物组织的介电特性的不连续性，发生这种现象入射波向后散射，后向散射波由一个或多个接收天线收集因此，观察到由于不同的介电性质之间的接收信号响应，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1011122215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/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/jestch马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011122×-2×××--××××正常组织和恶性组织是生物医学电磁干扰的基本概念。与需要电离辐射和不舒适压迫的传统X射线乳腺摄影不同，微波成像（MWI）利用非电离此外，MWI需要比其他两种传统技术（MRI和超声回波仪）更便宜的设备。总体而言，MWI是无害的，便携式的，并且可以使用基于低成本组件的发射器和接收器[7]。在[6，8大多数情况下，S波段和C波段已被MWI系统用于BCD。在文献[6]中，设计在柔性聚酰亚胺基板上的18 × 18 mm2π天线已通过构造16个单元的天线阵列来用于BCD执行多基地雷达成像。[8]中提出了一种嵌入16单元天线阵列的可穿戴原型（可穿戴医疗胸罩），具有相同的天线。该成像系统已被提议用于具有2GHz工作带宽的S波段频率然而，除了天线几何形状之外，没有报告电磁性能。而在[9]中，提出了一种用于C波段BCD的柔性微带天线，所提出的天线已达到2 GHz（46 工作带宽为27GHz，最小回波损耗为27dB，平均增益为1dBi，平均辐射效率为70%。由于在较低的微波频率下，很容易穿透乳房的高密度脂肪组织，因此该频率范围主要用于乳腺癌成像技术。此外，图像分辨率取决于MWI系统的工作带宽和工作频率范围然而，在先前描述的工作中，所提出的MWI系统的工作带宽仅为2 GHz。另一方面，在较高频率范围内具有宽工作带宽的MWI系统可以产生高分辨率图像。因此，一些研究人员提出了用于BCD的MWI系统，其具有超宽带（UWB）频率中的宽带宽的高剖面行波Vivaldi天线[10例如，在[10]中，已经提出了一种用于BCD的具有方向性特征的侧面开槽Vivaldi天线（SSVA），其具有尺寸减小和增益改善的特征。的回波损耗所提出的天线被发现为4.4 GHz时为38 dB，10 dB带宽约为5.25 GHz（3.9天线的平均增益为4.9 dBi，平均辐射效率为88%。然而，尽管天线占据45%的小面积，但在整个带宽上明显缺乏增益平坦度37毫米采用相同的设计方法，在[11]中提出了另一种SSVA天线，以改善BCD的天线性能。增加了2 dBi的增益，250 MHz的带宽和4%的效率已实现在成本的大天线尺寸为88 - 75 mm2。为了减少这个额外的尺寸，平衡开槽对极Vivaldi天线（BSAVA）已被设计在40 40 mm2 FR-4基板上[12]。天线带宽增加到8 GHz（2.5 GHz以上），而天线增益和效率分别降低到5 dBi和75%。事实上，Vivaldi天线由于其带宽、增益和效率而适用于单基地和双基地MWI系统。然而，它们的刚性和体积大的结构使它们不太适合BCD的多静态MWI系统。最近，在[13]中提出了一种用于双基地MWI系统的CPW馈电天线。虽然天线的带宽为4.5其平均增益为5dBi，辐射效率为82%，其大尺寸为7644 mm2使其不适合需要多个紧凑型天线以产生高分辨率图像的多基地MWI。对于早期乳腺癌检测，图像分辨率在较高频率范围内增加，因为波长变短。这在当代提供了额外的优势-通过利用毫米波成像（mm-WI）技术的罕见生物医学应用[14]。因此，[15]中的手术切除期间的癌边缘检测、[16]中的角膜水合感测、[17]中的牙科诊断和治疗以及[18]中的早期皮肤癌检测不需要深度皮肤穿透。事实上，BCD的mm-WI是可能的，因为已经引入了不同频率（如mm波，THz甚至红外频谱）的乳腺癌成像（BCI）概念[19然而，乳房组织的介电特性可用于高达20 GHz和超过150 GHz[22因此，在[26]中，恶性和健康乳房组织的介电特性已在0.5 - 50 GHz下表征。因此，在[27]中，提供了一种具有带宽的乳腺癌成像系统，采用WR 28波导激励32个柔性天线阵列，提出了13.5GHz（26.5 - 40 GHz）的频率范围。使用了一个由32个柔性天线组成的阵列，但没有关于天线的几何形状、参数或性能的信息。因此，在[28]中已经提出了柔性衬底上的可印刷微带天线。其中，所提出的天线已经实现了39.7千兆赫。该天线具有紧凑的尺寸为5 - 5 mm2然而，该系统需要昂贵的基于组件的发射器、接收器和RF开关矩阵（用于多静态BCI）。同时，X波段频谱可以成为电磁BCI在生物医学和未来5G应用的低成本可穿戴设备方面与[29]一样，最近提出了一种用于5G通信的柔性喷墨印刷宽带天线（7尽管天线的平均增益为5 dBi，它有一个可怜的效率为31%，一个大的尺寸为60 - 75毫米2的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上在[30]中提出了另一种柔性天线，其尺寸为36 32 mm2，效率为62%，在4 GHz带宽上保持1.4 dBi的平均增益，用于皮肤癌识别尽管与非柔性天线相比，柔性天线在增益和辐射效率方面存在问题，但是现代生物医学应用需要柔性天线在不同的弯曲条件下稳定地执行因此，通过在不同参数之间进行适当的权衡，在用于生物医学应用的柔性天线设计中仍然存在在这篇文章中，一个非常低剖面的灵活的平面微带天线已被提出用于生物医学应用。此外，我们认为，引入了新的品质因数来评估天线的总体性能。 所提出的天线已被设计在柔性12- 5lm薄聚酰亚胺基板上，7 GHz至14 GHz。的介电常数和损耗角正切。底物分别为3.5和0.0027该天线结构紧凑，具有准全向辐射方向图，可从正面和背面两个方向自由地将天线放置在身体表面2. 天线研制2.1. 天线合成与传统的矩形环开槽平面单极子天线（RRSPMA）和圆环开槽平面单极子天线（CRSPMA）不同，如图所示。 1（a）和图。 1（b），所提出的天线通过遵循如图2所示的分层步骤而被设计为具有椭圆形槽。尽管RRSPMA和CRSPMA通常在刚性基板上具有宽带特性，但这些常规设计在改善柔性基板上的整体天线性能方面仍然具有局限性。因此，在这项工作中，寄生槽除了那些马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011123ð Þ ð Þ联系我们图1.一、常规设计（a）RRSPMA，（b）CRSPMA。r iny=1.5嗯，和的外半径为的x轴，rout x = 2.5mm，对于y轴，y中的r 因此，在整个ERS几何结构中，槽宽度相等地保持0.5mm。在相同方向上，槽宽度表示为Dr rout中的r以方便进一步讨论。这些分层设计基于具有介电厚度（h）的柔性Kapton聚酰亚胺膜，的介电常数（er）为3.5，频率（fr）在10 GHz，也是X波段的中心频率。矩形贴片尺寸（贴片宽度，Wp和贴片长度，Lp）和微带馈线宽度（Wf）通过使用CST微波研究（MWS）的天线设计公式[31，32]贴片和地面之间的空间（S）在控制带宽方面起着至关重要的作用，如图3（a）所示。随着S的增加，天线的带宽减小。另一方面，如图3（b）所示，ERS的Dr显著改善了天线的阻抗因此，天线的带宽和阻抗匹配可通过所提出的设计来控制，而无需对间隙G和椭圆周长进行任何改变。如图3所示，所提出的ERSPMA有两个谐振频率从理论的角度来看，所提出的ERSPMA的这两个谐振频率可以通过修改的方程（1）来近似，（2）分别对于第一和第二谐振[33]，因为下谐振点和上谐振点分别由贴片的宽度（wp）和椭圆槽的内圆周（Ce）控制F你好，我是一个人，我是一个人。ð1Þ图二. 设计步骤和几何图形。（a）MRPA，（b）PMA和（c）拟议的ERSPMA。r12wp2002年传统形状是通过分级设计过程来设计的。首先，设计了一种传统的微带矩形贴片天线（MRPA），该天线通常具有较窄的带宽.为了将MRPA转换为宽带天线，通过从MRPA移除接地层来设计平面单极子天线（PMA），并且通过采用CPW馈电技术在与辐射贴片相同的平面（顶平面）上设计了新的接地层，如图2所示。传统的MRPA和PMA天线的几何设计如图所示。图2（a）和图2（b）分别。如图2（b）所示，两个矩形接地平面被设计成从馈线的两侧具有间隙（G），然后通过以贴片和地之间的间隔（S对于图2（c）中所示的ERSPMA几何形状，x轴的内半径r（单位：μxμ）= 2 mm，y轴的内半径r（单位：μ x图三. 研究了S和Dr变化对ERSPMA（a）S和（b）Dr的影响。马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011124阿吉卜f0ð3Þ数量r2Ceper1. p104ab24ð2Þ表1不同基材上的ERSPMA尺寸。这里，椭圆的周长近似为（3）[34]，因为#0表示自由空间的光速。由于ERSPMA是对称构造的，由于电间隙耦合的电容在整个ERSPMA中对称分布。尽管由于共面波导馈电天线的任何空间、间隙或缝隙而产生的电容由空气和天线基板的有效介电性质微弱地形成，但是它对取决于天线设计技术的整体天线性能具有显著贡献。在此基础上，利用CST MWS软件对ERSPMA进行了优化设计。从参数上看，所提出的设计在不同厚度（h）范围内的不同柔性基板上稳定运行。从50μm到250μm，介电常数（εr）从2.3到3.5。如图4所示，ERSPMA设计在三种不同的基底上，ent厚度和介电性能。表1中给出了在三种不同基质上的所提出的ERSPMA的相应尺寸。CST MWS设计了一种多层仿人体组织乳房体模，用于计算平均比吸收率（ASAR），如图所示。 五、提取了7-14 GHz [35]下组织的相对介电常数和模拟乳房模型的物理参数见表2。2.2. ERSPMA分析基于CSTMWS中模拟的天线性能，ERSPMA与PMA、RRSPMA和CRSPMA相比实现了改善的结果，可以从图中包括的回波损耗（S11）和VSWR观察到。 六、PMA实现了-33 dB的最小回波损耗有一个下降25分贝已经实现了深尖锐的缺口与ERS的辐射贴片，也导致了良好的阻抗匹配的ERSPMA，如图所示。 6（b）.而在辐射贴片上加RRS和CRS的情况下，RRSPMA和CRSPMA的回波损耗分别达到了-10 dB和-4 dB的最小值。事实上，RRSPMA和CRSPMA都具有差的阻抗匹配，如图所示。 6（b）. 从图中的分析。6，很明显，所提出的ERSPMA设计在阻抗匹配方面比常规PMA更稳定。见图4。 ERSPMA（a）最终设计（b）基板规格。图五.仿人体组织乳房体模。阻抗匹配的稳定性进一步观察到回波损耗（S11）和所提出的ERSPMA在三个不同的基板上的VSWR，如图所示。7 .第一次会议。在纸和PET的情况下，发现带宽与聚酰亚胺基板上的ERSPMA相似。然而，聚酰亚胺上的ERSPMA提供了比其他两种更稳定的响应。事实上，整个X波段覆盖的回波损耗低于在纸基上，X波段被ERSPMA的回波损耗低于-15 dB所覆盖因此，ERSPMA提供了稳定的阻抗匹配，这也是合理的，其最小VSWR值（接近1的X波段内）为所有三个基板。ERS的意义可以从辐射贴片上的表面电流分布中直观地看出。在聚酰亚胺衬底上，如图8所示，ERSPMA（435 A/m）的辐射贴片上的表面电流比PMA（173 A/m）、RRSPMA（123 A/m）和CRSPMA（132A/m）的表面电流如图9所示，辐射贴片中表面电流的增加和ERSPMA阻抗匹配的稳定性提高了天线增益和辐射效率。实际上，从PMA到ERSPMA，峰值增益增加了0.4 dBi，平均增益增加了0.75 dBi。ERSPMA的峰值增益和平均增益分别为4.2dBi和3.95dBi，而PMA的峰值增益和平均增益分别为3.8dBi和3.2dBi，RRSPMA和CRSPMA均为1.2dBi。平均增益3.7 dBi，峰值增益4 dBi。PMA和ERSPMA的平均辐射效率分别为85%和92%。由于辐射贴片上良好的阻抗匹配和表面电流积累，使ERS的平均辐射效率提高了7%。然而，RRSPMA和CRSPMA的平均效率很低，分别为56%和44%，最大辐射效率分别为82%和58%。同时，贴片上有RRS和CRS的辐射效率比PMA分别降低了29%和41%。图10显示了ERSPMA在三个基板上的天线增益和辐射效率的比较，其中在整个X波段上观察到平坦增益特性。Ce4a b参数单位：mm（kg）聚酰亚胺纸宠物W131313（0.65）（0.55）（0.65）L131313（0.65）（0.55）（0.65）WP888（0.4）（0.33）（0.4）Lp66.56（0.3）（0.27）（0.3）WF0.280.60.2Lf4.73.64.7G0.40.50.4S111H0.1250.2300.100马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011125表2不同基材上的ERSPMA尺寸。组织皮肤脂肪腺肌肉厚度（mm）281208内径（mm）686000外径（mm）7068600质量密度（Kg/m3）101092810351040图8.第八条。10 GHz下的表面电流（a）PMA（b）ERSPMA（c）CRSPMA和（d）RRSPMA。图六、PMA、RRSPMA、CRSPMA和ERSPMA的性能分析（a）回波损耗(b)电压驻波比见图7。 ERSPMA分析（a）回波损耗（b）VSWR。马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011126图9.第九条。PMA、RRSPMA、CRSPMA和ERSPMA的性能分析（a）增益（b）效率马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011127ð Þ图10个。ERSPMA分析（a）增益（b）效率。在 聚 酰 亚 胺 、 纸 和 PET 衬 底 上 ， ERSPMA 分 别 获 得 4.2dBi 、4.15dBi和4.25dBi的峰值增益。聚酰亚胺衬底上的ERSPMA在天线带宽上的平均效率为92%，在X波段上的平均效率为95%。与PMA相比，ERSPMA在天线带宽和智能带宽（X波段）上的天线效率分别提高了7%和4%。然而，由于材料的低损耗特性，与聚酰亚胺和PET基板上的ERSPMA相比，纸基板上的ERSPMA实现了最高的在三种衬底上，ERSPMA的平均效率达到85%以上，具有准全向辐射图案。ERSPMA的极坐标（线性全向切割）和3D辐射图已在图中说明。十一岁可以清楚地看到，聚酰亚胺基片上的天线的交叉极化水平最小，而纸基片上的天线的交叉极化水平最纸质基材不适合乳腺癌成像等生物医学应用。同样，PET衬底上的ERSPMA表现出低辐射效率。因此，仅对聚酰亚胺基材进行了ERSPMA的进一步分析。在仿人体组织3D乳房体模上方的聚酰亚胺基底上的ERSPMA的辐射图案（极坐标和3D）如图10底部所示。 十一岁从图中可以看出，由于材料的不同，天线的辐射功率略有反射然而，由于生物材料的介电性质，功率的穿透仍然继续工作。当观察乳房模型的SAR分布时，这种现象将更加明显。当天线放置在体模上时，平均天线效率大于40%，最大效率约为50%。利用CST MWS软件设计了多层乳腺组织体模。乳房模型中的SAR分布如图12（a）所示。的最大SAR超过的模型发现下面的1.6 1 g人体模型的W/Kg（IEEE C95. 1见图11。 10 GHz时的辐射图（a）极坐标（b）3D。在图12（b）中。在天线与乳腺组织模型之间的距离d从0到3 mm的不同情况下，对于1 g仿组织体模，最大SAR近似为1 W/KgSAR仿真中使用的输入功率为0.5 W。中年女性的平均罩杯尺寸为50 mm至70 mm。因此，所提出的ERSPMA天线以四种不同的方式，即XZ平面向下、XZ平面向上、YZ平面向下和YZ平面向上，以5mm的步长在50 mm和70 mm之间的半径内弯曲从回波损耗、天线增益和辐射方向图三个方面分析了弯曲对天线参数的影响。从图1可以看出，天线在四种不同弯曲条件下的回波损耗是足够稳定的。 13岁沿XZ平面上下弯曲时，最小回波损耗和带宽变化不大。另一方面，当沿YZ平面向上和向下弯曲时，天线的频率和带宽马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011128见图12。(a)ERSPMA与乳房体模的距离为3 mm（b）不同距离的最大SAR。图十三.具有弯曲（a）XZ平面（b）YZ平面的ERSPMA的回波损耗。是以回波损耗的形式来观察的。尽管如此，对于所有情况，55毫米。事实上，如果天线弯曲更多，其性能降低到可以忽略不计的水平。同时，如图14所示，峰值天线增益在弯曲条件下增加。为沿XZ平面和YZ平面的弯曲，天线峰值增益分别达到约5dBi和4.8dBi，10.5 GHz，这是所有四种条件下带宽的中间频率（7在正常情况下，辐射功率在整个带宽上是均匀分布的然而，在弯曲条件下，辐射功率在带宽的中心频率处围绕弯曲轴累积通过观察图1中的辐射图可以更好地理解这一点。 15、当天线弯曲时。结果表明，当天线弯曲时，辐射方向图会发生凹陷。所提出的ERSPMA的e场和h场都是凹陷的，因为辐射功率集中在弯曲轴周围。然而，即使在弯曲条件下，天线也能以正常条件下类似的辐射模式有效地工作。2.3. 原型制造虽然该设计主要考虑通过使用具有银/铜纳米颗粒导电油墨的柔性基板上的喷墨印刷来制造，但是这样的制造工艺不容易获得并且油墨本身是昂贵的。为了确保在制造过程中的低轮廓属性，已通过广泛可用的蚀刻工艺开发了优化的原型。为了在蚀刻过程中的精确分辨率，只有建议的天线的馈线已被优化从0.28毫米到0.50毫米，而其他尺寸不变。这是因为对粘贴在柔性基板上的导电带执行蚀刻工艺，该柔性基板可能由于过度蚀刻而遇到馈线衰减的风险。图14.具有弯曲（a）XZ平面（b）YZ平面的ERSPMA的天线增益。马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011129图十五岁具有弯曲（a）XZ平面（b）YZ平面的ERSPMA的辐射图化学过程中的反应。原型制造过程简要地示于图1中。 十六岁优化后的设计通过激光打印机打印在单面光面纸（光面）上。将铜带粘贴在聚酰亚胺Kapton膜上以制造单面覆铜柔性聚酰亚胺基板。然后，通过热压机将印刷的设计用过氧化氢（6%w/v）和乙酸的化学溶液以1：2的量比蚀刻基板上的转移设计。蚀刻是通过保持transfered设计淹没在化学溶液中约1.5小时，以去除裸铜。由于聚酰亚胺薄膜可以承受400 ℃以上的温度，因此采用焊接SMA端口来连接CPW馈电.3. 实验结果和性能评价：3.1. 实验结果研制的样机进行了实际性能测试。回波损耗（S11）、VSWR、天线增益和辐射图16. 原型制造（a）印刷设计（b）铜带和聚酰亚胺Kapton膜（c）化学成分（d）转移设计（e）最终原型。图17. 测量装置和实验环境。图18.测量结果（a）回波损耗（b）VSWR。利用Keysight E5071C ENA矢量网络分析仪、N9020A MXA信号分析仪、喇叭天线和电波暗室测量了天线方向图。 十七岁测量的回波损耗和VSWR如图18所示。开发的原型提供了一个-10dB的带宽从8.6 GHz到14 GHz，最小回波损耗低于-37 dB。带宽由于制造过程而降低，如第2.2.由于如图16所示的所提出的天线的手工制造，在控制第一谐振频率的矩形贴片周围存在一些变形。因此，对于所制造的原型类型，天线带宽略有变化。然而，第二谐振频率不太受手工制造的影响。然而，从测量结果的趋势可以预测，所提出的天线与更好的制作将克服这个问题。但马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10111210图19. 垂直和水平位置的天线增益。图20.（a）8.6 GHz(b)10 GHz（c）12 GHz。图21.体内测量设置（a）人胸部（b）鸡胸和（c）鸡胸内。图22.测量原型（a）与人胸部和（b）与鸡胸的回波损耗。天线具有宽的带宽和最小的VSWR（接近1），这验证了其稳定的阻抗匹配特性。在信号发生器的能力范围内，天线原型的测量增益如图所示。 十九岁在X波段的三个不同频率下测得的辐射图如图20所示。平面抛物面天线在H面（方位角）上产生典型的全向辐射方向图辐射功率可以在E平面（天顶）处随仰角的变化而下降为零，这与原型完全相同天线原型在水平位置提供4.4 dBi的尽管在较高频率处由于制造误差而出现了一些波纹，但在较低频率处的主瓣方向为00和1800然而，这些波纹有望通过喷墨马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10111211GG¼ðÞ2. Σk02表3天线性能的比较评估。参考文献天线类型灵活尺寸L× W（mm2）Ag（k2）范围FBWGAgRA（%）GoA（dBi/FoMA（dB）（千兆赫）（%）（dBi）k2）[4]单极6×8：8 0.29 × 0.43（约）2-（数组）[9]单极是24× 14 0. 40× 0. 25 4至6 40 1 70 10 30[13]单极号76× 44 0.89× 0.52 3.1至7.6 84 5 82 10.8-34.28[29]单极是60× 75 1.25× 1.00 7至13 60 5 31 4-49.72[30]单极是36× 32 1.20× 1.01 8至12 40 1.4 62 1.15-48.34[37]单极是58×40 1.52×1.05 4.1-[38]单极是30× 30 0： 63× 0：63 3. 4-[39]单极是30× 30 1： 09× 1： 09 5.71-这工作单极（原型）是13× 13 0.35× 0.35 8.6至14 48 4.4 65 35.92-37.38印刷然而，在E-平面和H-平面共极化方面，两者满足良好的一致性。已进行体内测试以评价天线性能。因此，回波损耗测量的原型已经完成了鸡胸肉和人的胸部。所提出的天线的测量设置和测量的回波损耗已在图中示出。 21和图 22、分别所研制样机的回波损耗与人体回波损耗符合良好，如图所示。 22（a）. 在这两种情况下（自由和与人的胸部），8.6 GHz至14 GHz，天线与人体皮肤之间的距离为3 mm。图22（b）示出了在三个不同位置处的天线回波损耗，如在自由空间中、在具有四个不同距离（0、1、2和3mm）的鸡胸组织上以及在内部。然而，如果辐射效率降低，则具有宽带特性的天线仍然不能改善其总体性能。因此，平均辐射效率（gRA）分数带宽（FBW）被认为是第二个指标（X2）绩效考核，XgRA×FBW7100%×100%如（7）所示，对于相同的FBW，通过增加gRA，一个天线比另一个天线性能更好。类似地，对于相同的gRA，如果FBW增加，则一个天线比另一个天线性能更好。现在，通过结合（6）和（7），（FoMA）被获得以表示评估总体天线性能的公共量化项，鸡胸组织（植入）。天线越靠近生物组织相互作用，由于生物组织的介电损耗特性，协议-FoMA¼ 10×X2log10X1ð8Þ通过体内试验发现，天线样机在离人体胸部和鸡胸组织3mm处表现出最佳性能。结果，根据（8），对于特定应用，可以通过以下公式比较不同天线的公共参数，3.2. 绩效评价FoMA¼10× log- 是的gRA×FBW =. 4p×Ag910100%×100%k02特定参数，即，分数带宽、平均增益、辐射效率、物理尺寸等。决定天线的整体性能物理孔径面积上的平均增益是评估天线性能的一种方式，如面积增益（GoA），GoA¼GA=Ag 4这里，GA是平均实现增益（就峰值实现增益而言），并且Ag是物理孔径面积（就引导波长kg而言）。然而，在（4）中的评估，其他参数，即，不存在平均辐射效率、分数带宽、”[36]又说：“得之者，得之者也。GA¼4p×Ag×。1-jCj25这里，C是反射系数，当达到峰值实现增益时，该反射系数变得可忽略不计。在这种情况下，如果天线的实现增益被认为是性能评估的第一指标（X1），则（5）可以表示如下，根据上面的讨论，很明显，当（9）中的品质因数（FoMA）增加时，天线的整体性能提高。因此，虽然这里使用的每个天线参数具有其单独的意义，但是为了比较不同天线的总体性能以用于它们的共同应用，可以仅针对平面类型来利用和验证（9）中的FoMA。对于生物医学应用，将所提出的ERSPMA的开发原型与表3中列出的一些最相关的工作进行比较。4. 结论提出了一种用于X波段生物医学应用的宽带宽、高增益、高效率的新型柔性天线。所提出的可印刷ERSPMA提供了7 GHz的宽带宽，工作频率为7 GHz至14 GHz，最小回波损耗为1.所提出的天线具有稳定的工作带宽，同时在三个不同的柔性基板上工作。超过4X4p×Ag1所有三种器件的平均增益均超过92%，62019 -02-22从（6）可以明显看出，增加物理孔径面积会提高增益，而增加波长（或降低频率）会降低增益。另一方面，对于任何特定的应用，如生物医学成像，增加分数带宽提高了天线性能。尼夫-通过所提出的设计实现了衬底此外，委员会认为，该天线在沿四个不同方向弯曲时表现出稳定的性能利用低成本的制造工艺，已实现了所提出的天线的优化原型在实验室范围内，测量结果表明，天线原型提供了5.4 GHz的宽带，最小回波损耗为马里兰州Shazzadul Islam，S.M. Kayser Azam，A.K.M. ZakirHossain等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10111212×VSWR接近1。测得的平均增益的天线pro-totype是4.4 dBi，而峰值增益被发现为6.33 dBi。所提出的天线的性能可以通过喷墨印刷来进一步增加。所提出的天线具有准全向辐射模式，允许它被放置在身体表面与前面和后面的位置。体内试验对人和鸡胸组织表现出适当的性能。因此，该天线适用于低成本的生物医学成像系统。所提出的天线占据了一个紧凑的面积为13 - 13 mm2的柔性材料，这使得它适合于利用在植入式系统和可穿戴gar-ments为不同的生物医学应用。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢这 项 工 作 是 由马 来 西 亚 马 六 甲 技 术 大 学 （UTeM ） 的FakultiTeknologi Kejuruteraan Elektrikal dan Elektronik（FTKEE）和马来西亚国际伊斯兰大学（IIUM）的电气和计算机工程系（ECE）合作完成的。这项工作由高等教育部（MOHE）通过基础研究资助计划（FRGS）资助引用[1] M.Alibakhshi-Kenari，M.Naser-Moghadasi，R.A.Sadeghzadeh，B.S.Virdee，E.Limiti，一种基于弯折线环的新型平面宽带天线，无线电科学。51（7）（2016）1109https://doi.org/10.1002/2016RS005973[2] M. Alibakhshikenari，B.S. Virdee，E.应用超材料传输线的小型单层行波天线设计，无线电科学。52（12）（2017）1510https://doi.org/10.1002/2017RS006313[3] S. Palanivel Rajan角Vivek，用于雷达通信的微带贴片天线的分析和设计，J.Electr. Eng. Technol. 14 （ 2 ） （ 2019 ） 923 https://doi.org/10.1007/s42835-018-00072-y。[4] M. Alibakhshikenari，B.S. Virdee，P. Shukla，N.O.帕尔钦湖阿兹皮利库埃塔角你看，R.A. 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