柔性平面微带天线的生物医学应用及性能研究

生物医学应用

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工程科学与技术，国际期刊

（

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 Islam

，S.M.Kayser Azam

，A.K.M.放大图片作者：Zakir Hossain

.你

好

，

脊髓肌肉莫塔卡巴伯

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

马来西亚吉隆坡

50603

马来亚大学电气工程系

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

月

日收到

2021年12月30日修订

2022

年

月

日接受

2022

年

月

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5.4

GHz。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3

mm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。

BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。

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

，

，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

，

。

通讯作者。

电子邮件地址：

zakir@utem.edu.my

（

A.K.M. Zakir

Hossain）。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（

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

（

）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.2022.101112

出版社：

Elsevier B.V.

这是

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Shazzadul Islam

，

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，

A.K.M. Zakir

Hossain

等人

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2022

）

101112

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

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

，

大多数情况下，

波段和

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 mm

天线已通过构

造

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

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

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

波段

BCD

的柔性微带天线，所提出的天线已达

到

2 GHz

（

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 mm

。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 mm

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76 44 mm

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 mm

然而，该系统需要

昂贵的基于组件的发射器、接收器和

开关矩阵（用于多静态

BCI

）。同时，

波段频谱可以成为电磁

BCI

在生物医学和未来

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

通

信的柔性喷墨印刷宽带天线（

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

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 mm

，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- 5

薄聚酰亚胺基板

上

，

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

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

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，

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2022

）

101112

ð Þ ð Þ

联系

我们

图1.一、常规设计（a）RRSPMA，（b）CRSPMA。

y = 1.5 嗯，和的外半径为的 x轴， r

out

x = 2.5

mm，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 r

out

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（e

）为

3.5

，

频率（

）在

10 GHz

，也是

波段的中心频率。矩形贴片尺寸（贴片

宽度，

和贴片长度，

）和微带馈线宽度（

）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（

）在控制带宽方面起着至关重要的作

用，如图

（

）所示。随着

的增加，天线的带宽减小。另一方面，

如图

（

）所示，

ERS

的

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

和椭圆周

长进行任何改变。如图

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（

）来近似，

（

）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（

）和椭圆槽的内圆周（

）控制

你

好，我是一个人，我是一个人。

图二.

设计步骤和几何图形。

（a）MRPA，（b）PMA和（c）拟议的ERSPMA。

2002

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

和

变化对

ERSPMA

（

）

和（

）

的影响。

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