（微电子学与固体电子学专业论文）应用于早期乳腺肿瘤探测的小型化天线设计.pdf

摘要 乳腺肿瘤是危害妇女健康的常见恶性肿瘤之一，最近几年的医学统计发现其 发病率在不断攀升，已经成为危害女性群体的一大杀手，对早期乳腺肿瘤的有效 探测成为了有效防治乳腺肿瘤的关键。传统的乳腺肿瘤探测技术如计算机断层扫 描技术、乳房x 光钼钯成像技术、核磁共振成像技术、近红外线扫描、超声波检 查法等具有漏检率高、误检率高、容易引起正常组织癌变等缺点，与这些检测方 法相比超宽带微波近场检测技术具有高分辨率、高定位精度、低辐射功率、对人 体伤害小等优点，利用超宽带微波检测技术探测早期乳腺肿瘤越来越受到人们的 重视。超宽带天线是微波近场检测乳腺肿瘤系统中的关键部件，其性能的好坏对 肿瘤探测的准确性起着决定性的作用，天线在检测系统中担任发射超宽带探测脉 冲和接收目标物体散射信号的任务，所设计天线应具备超大的带宽、紧凑的尺寸、 低色散、好的方向性等要求，因此对检测系统中超宽带天线的设计和研究有着相 当重要的意义。本论文系统的总结了实现微带天线小型化的方法，并在此基础上 结合乳腺检测系统的要求研究设计了几款小型超宽带天线，并仿真了用所设计天 线检测乳腺肿瘤的效果，验证了将其应用于早期乳腺肿瘤检测的可行性。 本文首先介绍了超宽带无线电技术的研究历史以及目前的发展情况，简述了 超宽带无线电技术的定义、特点和应用领域。然后对早期乳腺肿瘤检测的方法进 行了介绍和对比，分析了利用微波检测技术检测乳腺肿瘤的优势，并介绍了这一 方法的研究现状和存在的问题。文章的第二部分介绍了超宽带天线的基础理论知 识，对衡量天线好坏的基本技术参量做了较全面介绍，探讨了超宽带天线的发展 历史、研究现状及趋势，总结了超宽带天线的分类和各类型天线的特点，最后介 绍了研究超宽带天线的常用数值分析方法和计算机仿真软件。文章第三部分对实 现微带天线小型化的技术方法进行了深入研究，详细分析了各种实现微带天线小 型化技术的原理和效果，然后结合微波近场检测乳腺肿瘤系统对天线的要求设计 了两款小型化天线实例，对天线的尺寸进行了仿真优化，然后制作了天线实物并 测量了实物天线的性能。文章第四部分通过仿真验证所设计天线在微波近场检测 乳腺肿瘤中的实际可行性，介绍了人体乳房组织的结构及其电磁特性，结合这些 参数利用c s t 软件建立乳房仿真模型，对微波近场成像检测乳腺肿瘤过程进行 了仿真，并利用共焦成像算法对肿瘤进行影像重构，对成像的结果进行了分析。 文章的最后对全文总结，并对今后的工作做出了展望。 关蝴：超宽带天线；微带天线：天线小型化；乳腺肿瘤探测 a b s t r a c t b r e a s tc a n c e ri so n eo ft h es a r c o m a t ad i s e a s e sw h i c ha r eh a r m f u lt ot h eh e a l t ho f w o m e n t h en u m b e r so fs u f f e r e ri sr i s i n gr a p i d l y , t h ed i a g n o s i so fb r e a s tt u m o ra ti t s e a r l ys t a g ew i l lh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h el i v a b i l i t yo fp a t i e n t s a n dr e d u c ei t sm o r t a l i t y t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e so fb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o ns u c h a sc t ( c o m p e t e dt o m o g r a p h y ) 、m a m m o g r a p h y 、m r i ( m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ) 、n i r ( n e a ri n f r a r e d ) 、u l t r as o u n di m a g i n gh a v et h e i rl i m i t a t i o ni ns o m ec a s e c o m p a r e dw i t ht h e m ，u l t r a w i d e b a n d ( u w b ) m i c r o w a v ei m a g i n gh a so b v i o u s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m f o r t a b l e 、s a f e 、h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a t ea n di m a g i n g r e s o l u t i o nf o re a r l yb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o n i th a sb e c o m i n gah i g h l i g h to fm e d i c a l i m a g i n gs c i e n c ea l lo v e rt h ew o r l d u w ba n t e n n ai st h ek e yc o m p o n e n to fm i c r o w a v e i m a g i n gs y s t e m ；i t sp r o p e r t yh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nd e t e c t i o nr e s u l t ，t h ea n t e n n a t r a n s m i te x c i t a t i o ns i g n a li n t ob r e a s tt i s s u ea n dr e c e i v et h es c a t t e r i n gs i g n a li nt h e d e t e c t i o ns y s t e m ，aq u a l i f i e da n t e n n as h o u l dh a sc o m p a c ts i z ea n dl a r g eb a n d w i d t h ， t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h eu w ba n t e n n ah a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h et e c h n i q u e st or e d u c es i z eo fa n t e n n aa n dr e q u i r e m e n t so na n t e n n af o r m i c r o w a v ei m a g i n gs y s t e ma r es u m m a r i z e d s e v e r a ls m a l lu w ba n t e n n a sw h i c hc a n b ea p p l i e di nm i c r o w a v ei m a g i n gd e t e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d s i m u l a t i o nf o r d e t e c t i o no fat u m o ri nt h eb r e a s tm o d u l ei sc a r r i e do u ti no r d e rt ov e r i f yt h ep r o p o s e d a n t e n n a i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n h i s t o r ya n db a s i cp a r a m e t e ro fu w b t e c h n i q u e 、m e t h o d st od e t e c tb r e a s tc a n c e ra r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h em a i nc o n t e n to f c h a p t e ri id e s c r i b e sb a s i ct h e o r yo fu w ba n t e n n a 、m a i ne l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n s o f t w a r e t h ec o m p a c tt e c h n i q u e so fm i c r o s t r i pa n t e n n aa n dr e q u i r e m e n t so fa n t e n n a f o rb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o na r es u m m a r i z e di nc h a p t e ri i i 。t h a nt h ea u t h o rp r o p o s e d t w on o v e lc o m p a c tu w ba n t e n n a sw h i c hc a nb ea p p l i e di nb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o n s y s t e m c h a p t e ri vi n t r o d u c e st h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fb r e a s tt i s s u e ，t h e n s i m u l a t ：i o nf o rd e t e c t i o no fat u m o ri nt h eb r e a s tm o d e l i sc a r r i e do u tb ys i m u l a t i o n s o f t w a r ec s li nt h ee n do ft h i sp a r t ，c o n f o c a li m a g i n ga l g o r i t h mf o rt h es i m u l a t i o n m o d e l i sa l s od e v e l o p e d i m a g i n gr e s u l t sb a s e do nt h es i m u l a t i o ns h o wt h ef e a s i b i l i t y o fo u ra n t e n n ai nt h ed e t e c t i o no fa na s s u m e d6m me a r l y s t a g et u m o r i nt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，as u m m a r yo ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n ，a n d f u t u r er e s e a r c ht o p i c sa r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：u w ba n t e n n a ，m i c r o s t r i pa n t e n n a ，a n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n ，b r e a s t c a n c e rd e t e c t i o n 第一章绪论 1 1 绪论 第一章绪论 近年来乳腺肿瘤已经成为危害妇女健康的一大因素，其发病率居于各种女性 恶性肿瘤之首，早期乳腺肿瘤的检测对患者的治疗有着非常重要的意义，相对于 传统的乳腺肿瘤探测方法，超宽带微波近场成像技术能够发挥出超宽带信号高分 辨率、高定位精度、低辐射功率、对人体伤害小等优点，已经成为当前国内外医 疗影像技术研究的一个热点。而超宽带天线的是构成超宽带微波近场成像系统不 可或缺的重要组成部分；主动式微波成像方法对天线设计有着很高的要求，既要 满足医疗探测所需的超宽带频段又要符合人体乳房检测的实际尺寸限制。超宽带 天线的研究由来已久，其小型化和宽频化的研究也取得了一定的发展，微带天线 作为超宽带天线家族中的后起之秀成为近年来天线研究的热点，与其他类型超宽 带天线相比，微带天线有着体积小、低刨面、易于有源器件集成等优点。目前国 际上致力于超宽带微波成像技术探测乳腺肿瘤的研究团体大多采用微带天线的 方案，然而这些方案尚存在的一些缺陷：( 1 ) 天线的尺寸过大，无法组成比较 复杂的天线阵列，降低了检测的精确度和成像的清晰度( 2 ) 天线的特性阻抗不 是5 0 欧，外部还需要设计匹配网络，降低了系统能量的发射效率。因此设计出 符合乳腺肿瘤探险系统的超宽带天线还有待进一步的研究。 1 2 超宽带技术及肿瘤探测技术概述 1 2 1 超宽带无线电的定义与标准 最常见的“超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) ”的定义是从u w b 雷达系统中 来的，一般指相对能量带宽不低于0 2 或绝对带宽不小于5 0 0 m h z 的电磁波【l j 。 因此为了更好明白u w b 的定义，必须首先确定电磁波能量带宽的定义。电磁波 的能量带宽由上限工作截止频率厶和五确定，厶，五分别为天线- 1 0 d b 工作频 带所对应的最高频率和最低频率，相对带宽是指能量带宽与中心频率的比值，表 达式如下： 相对带宽_ 2 粤l 粤 ( 1 - 1 ) 第一章绪论 根据美国联邦通讯委员会与2 0 0 2 年2 月1 4 日颁布的规定，给用于商业用途 的超宽带技术所分配的带宽为3 1 gh z 1 0 6 gh z 2 1 。同时为了避免在此频段电 磁波的应用互相干扰，f c c 对用于商业的超宽带系统发射功率做了明确限制， 它的发射功率最高不超过41 3 d b m h z 。 1 2 2 超宽带技术应用于探测的优点 超宽带技术应用于探测具有很多得天独厚的优势，使得其在雷达和医学探测 领域得到广泛应用： 1 ) 超宽带脉冲穿透性特别强：u w b 脉冲时域上的波形持续时间很短，当其 穿过介质时，介质分子的作用就如同“分子波导”使传输的损耗降低， 与传统技术相比传输损耗仅为其1 ，l o 。 2 ) 超宽带脉冲用于探测时的定位精度特别高：超宽带信号持续时间非常短， 通过计算不同信号到达接收机的时间误差可以对发射机进行精确定位， 定位精度在厘米数量级，比g p s 定位精度高。同时超宽带信号的系统容 量也较大，对隐藏的物体具有很好的分辨能力，定位的误差也小。 3 ) 超宽带脉冲能提供很高的探测分辨率，可达n s 级别，有较强的信号携载 能力，并且有着为白噪声的特点，隐蔽性很强不易被截获。 4 ) 超宽带脉冲的辐射功率很低，脉冲源的功率一般不大于0 5 m w c m 2 ，属 于比较安全的非电离性辐射，当使用超宽带技术对人体肿瘤进行检测时， 电磁波对人体的辐射小，对人体造成的伤害可以忽略【3 】。相对于x 光、 c t 等检测技术，不会因为检测导致人体正常组织发生癌变。 1 2 3 利用超宽带技术探测早期乳腺肿瘤简述 乳腺肿瘤是常见的恶性肿瘤之一，对妇女健康造成了极大危害，自2 0 世纪 8 0 年代以来，其发病率一直居于女性恶性肿瘤首位，近年来更是以每年2 的速 度持续增张。乳腺肿瘤的严重程度可以根据肿瘤的大小和扩散程度分为五个不同 阶段，当肿瘤不大于5 c m 时都称为初级乳腺肿瘤，在这个阶段，乳腺肿瘤细胞 还没有扩散到人体其他位置的组织中，如果能够在这个阶段发现肿瘤，那么对治 疗是很有利的，一般治疗5 年后的相对存活率可达8 8 t 4 1 ，可见对早期乳腺肿瘤 进行有效探测是能够使患者得到及时治疗的关键，有着非常重要的意义。 目前，传统的检测乳腺肿瘤的方法有以下几种：c t ( c o m p e t e dt o m o g r a p h y ， 计算机断层扫描技术) 、m a m m o g r a p h y ( - 孚l 房x 光钼钯成像技术) 、m r i ( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，核磁共振成像技术) 、n i r ( n e a ri n f r a r e d ，近红外线扫描) 、 u l t r a s o n o g r a p h yi m a g i n g ( 超声波检查法1 等。这些传统的检测方法都有着不同的缺 第一章绪论 陷：计算机断层扫描技术的辐射比较强，能够破坏细胞组织的d n a 诱导细胞发 生癌变，使检测存在很大的风险，欧美医学界已经把其列为乳腺癌的一大诱发因 素，而且c t 成像技术设备复杂，检测所要的费用也高，不能成为反复使用的检 测手段【5 】；乳房x 光钼钯成像技术是通过检测正常细胞组织和恶性肿瘤之间的密 度差异，这种技术所存在的主要问题是检测的错误比较高，一般假阴性的概率是 4 3 4 ，漏检率也很高，会有大约1 0 3 0 种类的肿瘤组织检测不到，同时也 存在诱发细胞癌变的缺点【6 】。b 超声波检测技术的原理是利用肿瘤组织与乳房正 常组织对声波阻抗的较大差异，但b 超成像的穿透力很有限，而且正常乳房组 织与肌肉组织对声波的阻抗差异较小，成像的对比度差，不能成为有效的检测早 期乳腺肿瘤的方法【。 与传统的检测技术相比u w b 信号有着目标信息携载丰富、辐射功率低等优 点，所能够提供的定位精度在毫米级，而且与x 光和c t 相比对人体的损失也较 小，因此用u w b 信号检测乳腺肿瘤是一种安全、具有高分辨率、足够的穿透深 度的方法，近年来利用u w b 信号检测早期乳腺肿瘤越来越受到人们的关注，已 有多个国际研究团队致力于这方面的研究1 8 , 9 a 0 】。 利用u w b 信号检测早期乳腺肿瘤属于近场测量技术，所谓近场测量技术是 指在距离被测目标3 到5 个波长内对目标电磁场测量的技术，如果目标是散射体 则称为散射近场测量，以u w b 信号作为检测信号，然后分析由目标物体散射所 反射回来的能量，这些能量包含了丰富的目标信息，对其进行反演或逆推就可以 得到具有目标特征的函数，进而得到目标的具体形状。正常乳房组织和肿瘤组织 的电磁特性有着很大差异，在频率达到数g 赫兹时，正常乳房组织的相对介电 常数约为9 ，而肿瘤组织的相对介电常数约为5 0 ，两者相差5 倍以上，这种很大 的差异就决定了当电磁波入射到人体乳房组织时会产生信息丰富的散射波，近场 成像技术已经被证明是研究介质表面区域电磁特性的有效手段，可以用于人体肌 肤以下的肿瘤检测j 。 。电磁波近场远场的划分是以波长为分界点的，在距离探测源入2 1 r r 范围内的 区域都称为近场，在这个区域之外称为远场，其中人为探测信号的波长【1 2 】。随着 电磁场数值计算方法和计算机仿真软件的进步，使人们可以计算复杂的微波近场 情况，微波检测乳腺肿瘤的技术也有所发展，在微波频段，近场检测技术应用于 人体肿瘤探测的方法主要有三种：超声波和微波混合方法( a c o u s t i c h y b r i d m i c r o w a v em e t h o d s ) ，被动微波成像方法( p a s s i v em i c r o w a v ei m a g i n gm e t h o d s ) 和主动微波成像方法( a c t i v em i c r o w a v ei m a g i n gm e t h o d s ) 。 至9 0 年代以来微波近场成像技术吸引了很多专家学者的兴趣，然而近场成 像相对于远场成像要复杂的多，目标物体的散射复杂性很高，近年来已有北美的 第一章绪论 研究人员将微波近场成像应用于乳腺肿瘤探测的临床试验，己有系统化的试验设 备，但是还没有理想的成熟产品，距离商业化还需要有1 0 年的深入研究。目前 三所高校的研究比较能代表当前该领域的发展现状：美国新罕布什尔州的 d a r t m o u t h 大学t h a y e r 工程学院的m e a n e y 等人，他们已经开发出了相应的医疗 临床系统，这一系统采用步进频率方案，取多个频率点进行多次探测，工作频率 为3 0 0 m h z - i i g h z ，系统是由3 2 个收发天线组成天线阵列，被测患者俯卧在带 有圆孔的检查床上，将乳房置于圆孔内，圆孔内装有介电特性与乳房正常组织相 近的液体，从而减小乳房皮肤对信号的反射，系统采样时会获得多个单频点散射 信号，整个采样过程需要1 0 - 1 5 分钟的时间，五名自愿者的检查结果显示该方法 可以较清楚的显示病变部位与正常组织的电介质性能分布【1 3 1 。该系统存在的问题 是采用的液体为生理盐水，从电磁特性来说生理盐水与乳房的匹配并非最好，另 一方面由于采用步进频率所以采样时间比较长：美国的w i s c i n s i n - m a d i s o n 大学 电子与计算机工程系的h a g n e s s 博士及其同事借鉴脉冲探底雷达技术提出了一 种超宽带脉冲共焦成像方案，该系统使用超宽带脉冲作为探测信号，通过探测后 向散射场进行成像，采用合成孔径( s a r ) 技术，发射天线同时作为接收天线， 通过移动天线的位置完成对信号的发射和接收，最后通过共焦成像算法对目标物 体进行成像，其优点在于使用超宽带信号作为探测信号可以得到高分辨率的图 像，仿真结果表明这一方法可探测到乳房皮下5 c m 深的直径2 m m 的小肿瘤，然而 该研究尚处于数值仿真分析阶段，还未进行临床实验，同时这一方案需要用u w b 天线，对天线的设计要求比较高；加拿大v i c t o r i a 大学的s t u c h l y 及f e a r 等人 结合了上面两种方法的优点提出了一种新的共焦成像算法，使其更适用于临床检 查。 到目前为止，将微波近场检查应用于乳腺肿瘤探测的研究只有北美的个别团 队进行了临床实验，还没有形成成熟的系统，距离大规模的商用还有很大距离， 国内对这方面的研究相对落后，还都处于数值分析和算法研究，还未发展到进行 临床实验的阶段。主要面临的困难有：( 1 ) 所采用的信号为u w b 信号，带宽往 往要到达数个g h z ，一般使用的频率范围为4 g h z - i o g h z ，这种超宽带信号在时域 上的宽度一般只有0 2 个n s ，激励信号是个特别陡峭的脉冲，这对产生激励的 信号发生器提出了很高的要求，能够产生这种测试激励的设备都比较昂贵，同时 接收信号的网络分析仪或示波器也应具有很大的带宽，所以整个探测系统的设计 要求是比较高的。( 2 ) 构建这一系统需要用到u w b 天线来发射和接收电磁信号， 目前的u w b 天线虽然能够覆盖研究所需的频段，但是由于对人体乳房的探测受空 间上的约束，使在组建天线阵列的方案时，单个天线的尺寸就受到限制，目前对 u w b 天线的小型化设计还处于发展之中，u w b 天线的辐射特性还应该在很宽的频 4 第一章绪论 带上尽量保持一致，非频变天线主要有平面对数螺蜷天线、圆锥罗蜷天线、对数 周期天线等，而且乳腺肿瘤检测系统还要求天线具有好的方向性，对乳房所发射 的能量在不同方向上尽可能均匀，这样才会与后期成像算法相吻合，如何设计出 满足覆盖乳腺肿瘤探测所需频段且尺寸紧凑的u w b 天线还是个难题。 1 3 本文主要研究内容 本文首先在第一章对超宽带的定义和特性做了概述，分析了超宽带技术发展 的历史、现状和趋势，对超宽带技术在探测方面的优势做了叙述，然后乳腺肿瘤 探测的基本原理和常用方法以及国内外发展现状，讨论了微波近场成像技术在乳 腺肿瘤检测的优势。第二章对超宽带天线和微带天线的基本理论做了概述，讨论 了天线的各种技术参数，分析了超宽带天线的历史、研究现状和发展趋势，对微 带天线的理论做了概述，接着介绍了常见的天线数值分析方法和计算机仿真软 件。第三章对微带天线小型化和宽频化技术做了系统总结，并通过仿真实例对这 些技术做了分析，结合微波探测乳腺肿瘤系统对天线的要求，具体设计了两款小 型的超宽带天线，并对其中的一款制作了实物并进行t n 量，分析了天线的阻抗 和辐射特性，讨论了其应用于乳腺肿瘤探测系统的可行性。第四章介绍了人体乳 房组织的结构及其电磁特性，结合这些参数利用c s t 软件建立乳房仿真模型， 对微波近场成像检测乳腺肿瘤过程进行了仿真，并利用共焦成像算法对肿瘤进行 成像，对成像的结果进行了分析。 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 2 1 引言 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 u w b 技术源于2 0 世纪5 0 年代，因其所具有的固有优势而得到了广泛的应 用，u w b 天线的研究和发展也取得了很大的进步，从本世纪初国内很多研究机 构开始致力于u w b 技术的研究，2 0 0 1 年u w b 技术的研究被列为国家8 6 3 计划， 2 0 0 4 年u w b 技术研究开始受到国家自然科学基金的支持。天线是一种能量转化 器件，其将电磁波从天线发射到外部空间或者接收外部空间发射来的电磁波，而 这种性能的好坏通常要用一些参数来衡量，本章介绍了衡量天线性能的主要参 数，主要分为电路参数和辐射参数。微带天线的概念始于上世纪五十年代，随着 机械技术和光刻技术的逐渐成熟，到上世纪七十年代诞生了史上第一个微带天 线，后来研究学者提出了微带天线的理论模型并对其不断完善，使得微带天线在 最近几十年得到了很大发展，本章探讨了微带天线的优缺点及设计的基本理论。 现在微波技术之所以能够如此迅速的发展得益于电磁波数值分析方法和电子计 算机的发展，本章最后对有限元法、矩阵法及时域有限差分法三种全波电磁波分 析方法做了介绍，并分析了主流的计算机电磁仿真软件。 2 2 天线的基本技术参数 天线的实质是能量变化器 h 】。用做发射的天线是将发射机输出的高频交流电 能转化为辐射电磁能，即以电磁波的形式发射到空间。而用做接收的天线把接收 到的电磁波转化为高频交流电能，可见天线的参数可根据这两种形式的能量分为 两种。跟高频交流电能有关的称为电路特性，主要包括谐振频率、输入阻抗、效 率和带宽等。跟辐射电能有关的称为辐射特性，主要包括方向图、方向系数、增 益系数、主瓣宽度等。 2 2 1 天线的电路参数 ( 1 ) 谐振频率 天线的谐振频率是指天线工作的中心频率。在中心频率处天线与传输线匹 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 配的最好，发射或接受的功率最大，偏离谐振频率时天线的效率就会降低。天线 的谐振频率主要由天线的电长度决定，天线的电长度是指天线辐射或接收电池波 的有效长度，通常由波长的函数来表示。有的天线有多个谐振频率，形成多频带 天线，这种天线在多个频带上都具有较高的效率；有的天线的谐振频率的带宽则 很宽，形成宽频带的天线，本文所设计的天线即为谐振频带很宽的超宽带天线。 ( 2 ) 输入阻抗 天线一般都是通过馈线与发射机相连。天线与馈线连接处称为天线的输入 端，天线的输入阻抗是指天线输入端电压与电流的比值。输入阻抗对馈电网络的 设计及匹配的实现起决定影响，对其的计算是天线设计流程的重要环节。通常来 说，天线输入阻抗是由实部和虚部两部分构成的，即 z 访2 z a 2 r a x a ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中r 。为输入电阻，x 。为输入电抗。 输入电阻尺。表征天线上有功功率耗散的大小。其有两种耗散方式：一种是热 耗散，主要通过天线结构与其附件上以发热形式耗散掉；另外一种是脱离天线辐 射的功率。大多数天线的热损耗要比辐射损耗小。输入电抗x 。表征天线在近场 区域功率储存的多少。 ( 3 ) 效率 天线的效率是指辐射功率e 与输入功率圪的比值，用r 一表示。即 巩。毒5 彘 协2 ， 式( 2 - 2 ) 中，只是损耗功率，其主要包括由天线金属贴片和介质造成的热 损耗以及由于阻抗不匹配造成的反射损耗。 ( 4 ) 带宽 带宽是指天线能够工作的频率范围。在带宽频率内天线的输入阻抗、增益等 参数要满足一定要求，一般在工作频率范围内天线发射或接收电磁波的效率较 高，而在带宽以外的频率则效率较低。天线的带宽可根据不同的参数有不同的定 义： 一种是指天线的增益衰减3 分贝时所对应的频率范围：另一种是指在一定的 电压驻波比( v s w r ) 时天线的频率范围，通常我们用第二种标准衡量天线的带 宽，工程上一般取s ，小于等于1 0d b 所对应的频率作为天线的带宽。天线的带 宽是由多个因素决定的；如何增加小型天线的带宽是一个重要的课题。 表征天线带宽性能的各参数之间有如下关系，设电压驻波比( v s w r ) 为以， 电压反射系数为1 1 ，对天线来说r 即为s 。，天线的热损耗和反射损耗的功率损 耗系数分别为r ，、r r ，则 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 r ：卫兰( 2 3 ) 风+ l 诉= ljrl2(2-4) 玑2 珊仇 ( 2 - 5 ) 当驻波系数n = 2 0 时，由式可求得r r = 8 9 ，对于一般的贴片天线，由于其 介质的介电常数较小，介质厚度较大，因此辐射效率较高，可取珊= 9 0 ，由此 可推断天线的效率玑= 吼r r = 8 9 9 0 = 8 0 。 2 2 2 天线的辐射参数 ( 1 ) 方向图与方向性系数 非理想天线在不同空间方向上辐射的电磁波能量大小是不均等的，也就是说 天线发射信号具有方向性，天线方向图既是用来表示天线辐射随空间方位角变化 的特性，通常辐射参量可以用场强、相位、功率密度通量、极化表示。以场强振 幅的空间分布为参量的方向图称为场强方向图，以功率通量密度为参量的方向图 称为功率方向图。天线的辐射方向图有时会有多个波瓣，可分为主瓣、旁瓣、后 瓣。包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣，比主瓣小的波瓣称为副瓣，与主瓣方向 相反的波瓣称为后瓣，主瓣宽度越窄说明天线辐射能量方向越集中。天线的方向 图一般都是三维的，但三维的方向图不利于定量的描述天线的辐射特性，一般会 采用在某个特定平面的辐射方向图，如x - y 面、x - z 面、y - z 面方向图，也可用 e 面或h 面方向图表示，e 面h 面是指平行于电场矢量和磁场矢量的两个平面。 理想点源天线为无方向性天线，即其在空间每个方向上辐射的能力是平均 的，对于非理想点源天线其对不同方向能力辐射集中程度是不同的，用方向性系 数d 表示，一般用最大辐射方向的方向性系数表示天线的定向辐射能力，其值等 于天线在特定球面上最大辐射功率密度p ( o ，) m a x ( w i n 2 ) 与其平均值之比，即 d ：e ( o , o ) m a x ( 2 6 ) p ( o ，痧) 伽 ( 2 ) 增益 当天线实际工作时，人们往往感兴趣的是天线将得到的输入功率有效的转变 为辐射能量的能力。天线的增益就是用来衡量这种能力的，因为实际天线有欧姆 损耗，所以天线的增益会小于定向性系数，他们之间的关系为： g = r l 木d ( 2 7 ) 其中r l 为效率因子。 ( 3 ) 天线的极化特性 天线所发射的电磁波在空间随时间变化时会沿不同方向形成不同的轨迹，天 线的极化就是描述这一性质的参量，由于电场矢量与磁场矢量之间有特定关系， 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 所以一般只用电场矢量的运动轨迹代表电磁波的极化，可根据轨迹的不同将极化 分为线极化、圆极化、椭圆极化。线极化是指电场矢量的变化轨迹是一条直线； 圆极化是指其轨迹方向周期性旋转，而振幅保持不变，圆极化可分为左旋圆极化 波和右旋圆极化波，按照i e e e 规定，电场矢量按顺时针旋转( 电磁波向外传播) 对应左旋圆极化波，相反的逆时针旋转对应右旋圆极化波；椭圆极化是普通的极 化形式，可以分解为两个正交的圆极化波。 在同一个系统中，接收天线的极化形式要与发射天线的保持一致才能确保系 统的传输效率，如果接收天线与发射天线的极化形式不一致将会导致极化损失， 当两者极化正交时，接收天线将无法接收到发射天线发射的电磁波能量。 2 3 超宽带天线的研究现状、趋势和基本技术要求 2 3 1u w b 天线的研究现状 超宽带天线并不是最近才出现的新鲜事物，早在上世纪初人们就对超宽带天 线做了初步研究，第一个具有宽带特性的天线是由英国的l o d g e 于1 8 9 8 年研制 而成，由于尺寸的限制天线的带宽有限，还不是严格意义上符合超宽带定义的天 线，随后人们对其进行了改进提出了圆锥形状的单极天线( 图2 1 ) 和双锥结构 的天线( 图2 2 ) 1 5 , 16 1 ，在1 9 4 3 年s c h e l k u n o f f 又进一步提出了改进的双锥结构 天线和球形结构的偶极子天线( 图2 。3 ) 1 5 , 1 7 】，上世纪五十年代初b r i l f o u l n 设计出了 具有双喇叭结构的全向同轴天线( 图2 4 ) 【l 引。这些天线都属于上世纪五十年代以 前的宽带天线的代表，都属于三维结构的天线，主要可分为火山口烟雾形天线、 双锥天线和定向同轴喇叭天线等类型，这些天线体积较为庞大，而且只是具有宽 带特性，还不能说是超宽带天线，随着现代通信技术的发展以及集成电路的出现， 这些天线已经不能满足新技术的需求。上世纪五六十年代非频变天线的概念被研 究学者提出，拉姆塞指出若天线的形状仅由角度来决定，则天线具有非频变的阻 抗和波瓣图特性，并在此原理上提出了互补天线，这种天线的非频变特性要求天 线的尺寸为无限大或无限长，然而在实际中当天线被截断时天线终端的反射就会 引起阻抗的和波瓣图的变化，1 9 5 8 年d y s o n 提出的非频变平面对数变螺旋天线 是第一个实际的非频变天线。与此同时，d u h a m e l 和i s b e l l 开发了对数周期偶极 子阵，r o b e r tc a r r e l 与1 9 6 1 年阐述了v 形偶极子单元的对数周期阵，非频变天 线韵研究才进入实际的应用，这些天线已经能够实现大于1 0 ：1 的阻抗带宽，而 且大部分天线都可以用二维结构实现，然而这些非频变的天线主要是通过转移有 效辐射区来实现超宽带特性的，可能会造出超宽带信号的失真，特别是当应用于 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 微波近场检测时天线对信号的散射会比较大，使超宽带脉冲信号尾铃效应严重。 上世纪九十年代以来，为了满足人们在实际应用中对宽频带小型化的要求，平板 印刷天线越来越受到人们的重视，1 9 9 2 年h o n d a 等人研发出圆盘单极子天线， 阻抗带宽可以达到8 ：l ，随后研究学者又研发出椭圆形极子单极子天线、三角形 单极子天线、叉形单极子天线等多种印刷天线，印刷天线开始得到快速发展。 图2 1 圆锥形单极天线 辫然豢黍秽 l 票 ，l 希 、 7 圈 、 ( 、 图2 3 球形偶极子天线图2 4 双喇叭结构天线 超宽带印制天线一般是在一块薄的介质基板上，一面附上一层金属薄片作为 地，另一面制作出不同形状的金属贴片作为辐射极子，用微带线方式或同轴线进 行馈电。印制天线具有体积小、易于集成、成本低等有优点，印制天线经过多年 的发展形成了很多种类，按照馈电方式的不同可分为：( a ) 微带馈电天线( b ) 共面波导馈电天线( c ) 同轴馈电天线。三种不同馈电方式的天线分别如图2 5 、 2 6 、2 7 所示： 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 图2 5 微带馈电图2 - 6 共面波导馈电 图2 7 同轴馈电 ( a ) 微带馈电方式： 微带馈电是在介质基板的两侧都有金属贴片，一面作为辐射极子一面作 为地，微带天线也分两类，一类是微带振子天线一类是微带缝隙天线。 ( b ) 共面波导馈电方式： 共面波导馈电是将与地连接的金属贴片和作为辐射极子的辐射贴片制作 在同一层上，馈电微带与金属地之间有条很细的缝隙，这样辐射极子和地都 作为辐射体的一部分，通过改变极子的形状和地的形状来调节阻抗的匹配和 天线的性能，共面波导馈电的地和极子制作在同一层上面，易于集成和制作， 体积小，较低的辐射损耗。 ( c )同轴馈电方式： 同轴馈电的一般结构如图所示，其可以看作是同轴线的延伸，外面一层 导线延伸为一个较大的平面金属作为地板，而内部的导线则延伸成一个与其 垂直的辐射极子，该极子可以根据需要设计成不同的形状，同轴馈电的优点 是天线的宽带性能优秀，辐射增益大，缺点是这种结构需要很大的体积，不 利于集成。 印刷式缝隙天线是另外一种平面印刷天线，它具有微带天线的一些优点，例 如易于集成、结构简单、便于大批量生产等，同时还具有微带天线所不具备的大 第二章超宽带天线和微带天线的摹本理论 带宽、优良的辐射特性，所以印刷式缝隙天线在现在无线通信系统中的应用越来 越广泛。印刷式天线相对于同频段的微带天线具有体积优势，这是减小天线尺寸 的重要途径之一。但是由于印刷式缝隙天线的接地板面积相对较大，接地板上横 向电流也相对来说大些，与平板单极子天线相比，其上的交叉极化较大。印刷式 缝隙天线也分很多类型，最早的结构如图2 8 所示，其共面波导的导带与地板相 连接，这种结构最为简单，馈电方式也较容易制作，随后又出现了共面波导缝隙 天线和微带缝隙天线，他们的结构如图2 - 9 和图2 1 0 所示，其中中间馈源有圆 形、矩形、椭圆形、半月形、叉指形等各种形状，其地板大多为矩形，其上的缝 隙开槽有矩形、圆形、椭圆形等。 圈 金属层 _ 。 1一j 缝隙层 圈 金属层 _ _ _ l j 缝隙层 圈 金属层 缝隙层 图2 8 早期共面波导馈电的印刷缝隙天线 1 2 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 图2 - 9 共面波导缝隙天线 2 3 2 研究的发展趋势 图2 1 0 微带馈电缝隙天线 i 金属层 缝隙层 蘸 金属层 i，一 缝隙层 接地板 美国联邦通信委员会( f c c ) 与2 0 0 2 年2 月通过决议，确定了商业用途的超 宽带系统的工作频率范围为3 1 1 0 6 g h z ，为超宽带技术的发展应用修好了沟渠， 扫除了发展的最后障碍，指出其除可应用于雷达、安全应用等领域外，还可以应 用于数字通讯、测量技术、医疗探测、车载雷达系统等商用和民用领域。超宽带 通信技术的发展有着非常多的机会，工业界、学术界的研究学者已经对其产生了 极大的研究热情。国内研究机构与本世纪初逐步开始广泛研究超宽带技术，超宽 带研究已经得到了国家8 6 3 计划的支持。 近年来，超宽带天线的发展突飞猛进出现了新的发展趋势，近年来无线通信 技术的发展异常迅猛，出现了一些新的特点，主要表现在通讯网络的覆盖区域变 大，用户数量比以前增多，对于现在通讯技术多业务、高速率、高质量的要求， 传统的通信设备和技术已经不能满足。天线的设计也需要与时俱进迎接新的挑 战。为了适应现代无线通信技术发展的新需求，超宽带天线的研发主要朝着小型 化、宽频带和多频段的方向发展。小型化就是要求天线自身尺寸要小，能够更好 第二章超宽带天线和微带天线的基本理论 的适应便携电子设备的要求，使其更容易集成与产品中。宽频化是指拓展天线的 带宽，这对提高探测领域中探测目标物体准确度有重要意义。多频带是指天线具 有多个工作频段或者在某个频率段具有陷波特性，由于现有的w l a n 的 h y p e r l a n 2 频带的5 1 5 5 3 5 g h z 和i e e e 8 0 2 a 规定的5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 的频 谱重叠，因此研究能够同时满足不同通讯的多频段天线就有着重要意义，目前已 出现很多具有带阻特性的天线。 2 3 + 3 超宽带天线设计的基本要求 在前面已经介绍了表征天线性能的常见参数如阻抗带宽、增益、方向图等。 但一个超宽带天线要应用到一个实际的通讯系统中还有很多问题，用超快带天线 发射信号时会伴随着信号的尾铃效应，造成信号的失真，因此设计超宽带天线应 考虑因素：第一，天线的阻抗带宽要够宽。按照f c c 分配给超宽带通信的带宽 为3 1 1 0 6 g h z ，相对带宽超过1 0 0 ，超宽带天线要在如此宽的频段上都具有 好的阻抗特性。第二，超宽带天线要有好的脉冲响应，因为超宽带系统不是利用 正弦载波通信，而是发射和接收在时间上极窄的脉冲信号，所以天线对窄脉冲的 影响就变的很重要。第三，体积要尽可能的小。这样才能是天线更好的集成与射 频前端，天线的小型化设计是天线发展的趋势。 2 4 天线的数值分析方法和仿真软件 计算天线问题的常用方法可分为解析方法和数值分析方法。其中解析方法主 要有本证函数展开法、分离变量法、积分方程法( 格林函数法) 等，解析方法只 能用来解一些简单的天线模型，一些复杂的天线模型这些方法将不再适用，然而 这些方法是数值分析方法的基础，目前计算机技术发展迅速，将基本的解析方法 和计算机技术的优势相结合，就可以得到能够解决复杂电磁场问题的数值分析方 法。在实际工程中遇到的问题一般都是些具有复杂边界的模型，以微带天线为例， 随着研究的发展近年来出现的微带天都有各种极子形状，地板形状也都各异，还 会伴有各种开槽来实现想要的性能，如果还用经典的电磁场计算方法求救这些问 题将会很困难，计算量将会非常大，随着计算机技术的发展，电磁场数值分析方 法越来越受到人们的重视，现在己得到了广泛的应用。目前在解决天线问题时常 用的电磁场数值分析方法主要包括：有限元法、边界元法、时域有限差分法和矩 量法等。这些方法适合求解电尺寸较小的物体，通常称为低频近似方法。随着计 算机e d a 技术的发展，现在市场上已有多款商用的电磁仿真软件，主要有基于 时域