一種用于早期癌癥檢測的新型超寬帶天線設計

張平平 何小洋

摘 要：本文設計了一款新型的采用FR-4材料的超寬帶天線，用于早期癌癥檢測。仿真結果表明，天線的工作頻帶達10.2GHz，從3.0GHz到13.2GHz，相對帶寬可達125%，頻帶上的VSWR小于2且天線具有良好的方向性和增益，能較好地應用于微波成像技術系統中。

關鍵詞：超寬帶；開槽；微波成像技術

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0039-02

Design of a New Ultra Wideband Antenna for Early Cancer Detection

ZHANG Pingping1 HE Xiaoyang2

（1. Jiangxi Vocational and Technical College of Information Application，Nanchang Jiangxi 330043；2.Jiangxi University of Science and Technology，Nanchang Jiangxi 330200）

Abstract： In this paper， a novel UWB micro-strip antenna using FR-4 substrate was proposed for early cancer detection. Simulated results showed that the bandwidth of the antenna reaches 10.2GHz in the operating frequency range from 3.0GHz to 13.270 GHz， it means a relative bandwidth of 125%. The VSWR is less than 2 in the frequency band and the antenna have good directionality and gain， and it can be better applied to microwave imaging technology systems.

Keywords： ultra-wideband（UWB）；slot；microwave imaging

1 研究背景

當前，我國經濟發展穩中向好，人民生活水平不斷提高，大家都向往著美好的生活。但是，同樣也存在一些棘手問題，使大家的幸福感降低，癌癥就是其中之一，其已成人們健康的最大殺手之一。因此，迫切需要一項技術，及時發現癌癥，以免耽誤最佳治療期。

當前，早期癌癥檢測主要依靠的是生物醫學成像技術，如CT技術、MRI核磁共振技術、電阻抗成像技術等。但是，這些技術仍存在一系列問題，因此，研究一種新型的成像技術尤為重要。超寬帶微波成像技術就具有這種潛力，該成像技術擁有眾多優點，如低成本、無輻射、便于推廣、高分辨率和高成像對比度等，其是一種優秀的早期檢測技術[1]。超寬帶天線是該成像技術的核心部件，其好壞會直接影響成像效果，因此，十分有必要對其進行進一步的探索研究。

2 天線結構設計

筆者設計了一款新穎的微帶天線，使用的介質板材料為FR-4，介電常數為4.2，損耗正切為0.02，厚度為1.60mm。該天線的形狀如圖1所示，其中基板的一面為開了槽的六邊形，另一面為長方形，饋電使用阻抗為50W的微帶線[2-3]。在三維電磁仿真軟件HFSS中建立該模型，如圖2所示，然后對其進行仿真優化，確定天線的尺寸（見表1）。HFSS能較好地算出天線的各性能指標，如回波損耗、VSWR和方向圖等。

3 天線的分析與仿真

首先，對比分析開槽前后天線的回波損耗S11。回波損耗是天線設計中需要關注的重要參數之一，其定義為入射功率與反射功率之比，一般越大越好，指標要求：S11<-10dB，仿真結果如圖3所示。從圖3可知，開槽后的S11值更大，表明開槽后天線的性能更好。天線的工作頻帶寬從3.0GHz到13.2GHz，相對帶寬達到了125%。

其次，查看天線的電壓駐波比VSWR。VSWR是波腹電壓與波節電壓的比值，一般要求在工作頻帶內保證盡可能小的駐波比，要求小于2。圖4所示為天線的VSWR，從圖中可知該天線的VSWR小于2。

最后，查看天線的方向圖。圖5（a）和（b）為天線在3.0GHz、6.0GHz、9.0GHz下的仿真圖。從圖中可知，所設計的天線方向性指標能滿足微波成像要求。

4 結論

本論文設計了一種新型的微帶天線，在輻射片上開了一U型槽，應用于微波成像技術領域。由仿真結果可知，這款天線的頻率范圍從3.0GHz到13.2GHz，帶寬能達到10GHz，電壓駐波比VSWR在頻帶范圍內小于2，而且天線具有良好的定向增益和方向性，能較好地應用于早期癌癥檢測，具有較為廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]吳小鵬.超寬帶生物醫學成像理論研究[D].南京：南京郵電大學，2008.

[2]N. Farrokh-Heshmat，J. Nourinia，C. Ghobadi. Band-Notched Ultra-wideband Printed Open-Slot Antenna Using Variable On-Ground Slits [J]. Electron. Lett.，2009（21）：1060-1061.

[3]Y. Zhang，W. Hong，C. Yu，et al. Design and implementation of planar ultra-wideband antennas with multiple notched bands based on stepped impedance resonators [J]. IET Microw. Antennas Propag.，2009（7）：1051-1059.