CN105811086A - 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线 - Google Patents

一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线 Download PDF

Info

Publication number
CN105811086A
CN105811086A CN201610080381.8A CN201610080381A CN105811086A CN 105811086 A CN105811086 A CN 105811086A CN 201610080381 A CN201610080381 A CN 201610080381A CN 105811086 A CN105811086 A CN 105811086A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
patch
layer
paster
foreign bodies
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610080381.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105811086B (zh
Inventor
吴怡之
叶声
王明赛
席恋
徐谢云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Donghua University
Original Assignee
Donghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Donghua University filed Critical Donghua University
Priority to CN201610080381.8A priority Critical patent/CN105811086B/zh
Publication of CN105811086A publication Critical patent/CN105811086A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105811086B publication Critical patent/CN105811086B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/106—Microstrip slot antennas

Abstract

本发明提供了一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，包括位于中间的介质基板，在介质基板的两侧分别设有顶层辐射金属贴片层及底层接地板金属层，顶层辐射金属贴片层包括相连的一个半圆形辐射贴片和一段微带馈线，底层接地板金属层包括分离的一个半圆形接地贴片及一个阶梯状寄生耦合贴片，信号由微带馈线馈入，位于两侧的半圆形辐射贴片及半圆形辐射贴片共同形成一个偶极子天线。本发明基于微波成像异物检测系统的需求，设计了一款小型化的宽带天线，天线在半圆形贴片天线的基础上通过加载缝隙与寄生贴片扩展了带宽，同时天线具有小型化特性。

Description

一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种可用于异物检测的小型低频超宽带贴片天线，可以有效地判断复杂结构体内部是否含有异物以及判断异物的位置和大小，属于微波天线技术领域。
背景技术
微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，使用300MHz～300GHz，相应波长为1m～1mm的电磁波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或(复)介电常数分布。由于介电常数大小与生物组织含水量密切相关，故微波成像非常适合对生物组织成像，当大的不连续性限制了超声波成像的效率，生物组织的低密度限制了X射线的使用时，微波却可以发挥独特的作用，获得其它成像手段无法获得的信息。微波成像具有安全、成本低等优势。天线在微波成像系统承担微波信号发送和接收的任务，是关键的技术环节，便携式或可穿戴异物微波检测系统对天线设计了提出宽带、低频和小型化等特殊要求。但目前的天线设计存在端发射和尺寸大的缺陷，不利于进行可穿戴系统的应用。
微带天线是一种用微带贴片作为辐射单元的天线，是由具有一定厚度的介质基片(基板)、较薄的导体接地板(参考地)及辐射贴片(辐射元)三部分组成。一般情况下，采用同轴线馈电或微带线馈电，在辐射贴片和导体接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片与导体接地板之间的缝隙向外辐射电磁波能量。
微带天线由于其结构简单、体积小、重量轻、易于集成，可穿戴性强等优点，得到了广泛的应用。但由于其频带窄的缺点限制了微带天线的发展，近年来微带天线的小型化和宽带技术越来越受到大家的重视。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于异物检测的小型超宽带天线，可以有效的判定物体内部异物的位置以及大小。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，包括位于中间的介质基板，在介质基板的两侧分别设有顶层辐射金属贴片层及底层接地板金属层，顶层辐射金属贴片层包括相连的一个半圆形辐射贴片和一段微带馈线，底层接地板金属层包括分离的一个半圆形接地贴片及一个阶梯状寄生耦合贴片，信号由微带馈线馈入，位于两侧的半圆形辐射贴片及半圆形辐射贴片共同形成一个偶极子天线。
优选地，在所述半圆形辐射贴片上开有一个用于增加电长度的矩形缝隙。
优选地，所述矩形缝隙的尺寸为18mm×0.1mm。
优选地，所述阶梯状寄生耦合贴片由四个长宽不等的矩形贴片并联而成。
优选地，所述半圆形接地贴片与所述阶梯状寄生耦合贴片之间相距2.39mm。
优选地，所述半圆形辐射贴片及所述半圆形接地贴片的半径为19.61mm。
优选地，所述微带馈线呈细长矩形。
优选地，所述细长矩形的尺寸为20.39mm×0.15mm。
在本发明中，所用介质基板为FR4，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。
天线工作时，信号由微带线馈入，两侧的两个半圆形贴片共同形成一个偶极子天线。故天线的长度L约为其中，λ0为真空中的工作波长，εeff为介质板的等效介电常数。天线的宽度W理论上越宽，则越有利于拓展带宽，故可在带宽与口径面积上取平衡值。
本发明基于微波成像异物检测系统的需求，设计了一款小型化的宽带天线，天线在半圆形贴片天线的基础上通过加载缝隙与寄生贴片扩展了带宽，同时天线具有小型化特性。进一步测试了天线对于较低介电常数的介质中存在较低介电常数的异物的位置的检测性能。结果表明，通过测试天线的S参数，结合共焦算法能准确得出异物的位置，从而证实了天线及相应系统、算法的可行性。本发明充分发挥了微带天线结构简单、体积小、重量轻、易于集成，可穿戴性强等优点，突破了其频带窄的缺点，拓宽了微带天线在微波成像和异物检测方面的应用。
附图说明
图1为微带天线的结构图；
图2(a)、(b)、(c)、(d)为不同金属形状的天线；
图3为图2中4种天线对应的仿真性能曲线；
图4为微波成像系统；
图5为模拟实验结果图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明研究了半圆形贴片偶极子天线的宽带特性，提出了一种新型的天线结构如图1示。天线包括三层结构，中间层为介质基板，两侧的两层为金属层，分别为顶层辐射金属贴片层及底层接地板金属层。所用的介质基板为FR4，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。介质基板的长为L，宽为W，厚度为H。顶层辐射金属贴片层包括一个半径为R1的半圆形辐射贴片和一段宽为e的微带馈线，其中，半圆形辐射贴片上开有一个细长的矩形缝隙，缝隙的尺寸为L1×W1mm2。底层接地板金属层包括一个半径为R2的半圆形接地贴片和一个阶梯状的寄生耦合贴片，其中，寄生耦合贴片位于半圆形辐射贴片的下方，由四个长宽不等的矩形贴片并联而成。天线的具体参数如表1示。
天线参数 参数值(mm)
L 40
W 40
H 0.6
L1 0.1
W1 18
R1 19.612 -->
R2 19.61
e 20.39
a 0.15
b 12
c 16
d 20
i 4
j 6
k 8
表1天线参数
天线工作时，信号由微带线馈入，两侧的两个半圆形贴片共同形成一个偶极子天线。故天线的长度L约为其中，λ0为真空中的工作波长，εeff为介质板的等效介电常数。天线的宽度W理论上越宽，则越有利于拓展带宽，故可在带宽与口径面积上取平衡值。
为了分析正面金属层的缝隙加载与背面的耦合贴片加载对天线带宽的影响，本发明建立了如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示的4个具有不同结构的天线单元。天线1由两个半圆形贴片组成，天线2在天线1的上层贴片上加载了细长的矩形缝隙，天线3在天线1的下层金属层加载了耦合贴片，天线4是在上下两层同时加载缝隙和耦合贴片。对图2(a)、(b)、(c)、(d)各天线使用基于有限元算法的全波仿真软件HFSS对整体结构进行仿真。仿真的S参数结果如图3示，图3中的1、2、3、4分别表示天线1、天线2、天线3、天线4。
从图3可以看到，对于仅由两个半圆形贴片组成的天线1，在频率大于1.2GHz时，其反射系数小于-10dB，而在小于1.2GHz的低频段，反射系数恶化至小于-5dB；天线2，虽然在3GHz以上反射系数恶化了，但是在低频段3GHz以下得到了改善；天线3在天线2的基础上，3-5GHz范围性能得到提升；天线4在3GHz以下，反射系数得到进一步的提升，3-5GHz性能处于前面天线的折中水平。本发明提供的天线的增益方向垂直于天线，适合应用可穿戴系统。
异物检测系统使用共焦算法来定位异物位置与大小。因为异物区域与正常区域一般存在明显的介电常数差异，也即目标的电磁参数与周围环境的电磁参数将有明显不同，从而判断目标的位置。该方法首先要求用超宽带信号照射待成像区域，散射场被天线接收，根据所计算的天线至成像点的时延对天线上的信号移相补偿，最后将所有信号相加得到成像点的脉冲响应之和。该算法能保证在目标位置所有信号同相叠加，而在其他位置信号因相干而相互削弱。
为了进一步验证该天线用于异物检测系统的可行性，加工实物天线，设计微波成像系统如图4所示，构建模拟实验系统。其中，天线置于待测物体旁，并与矢量网络分析仪相连接，矢量网络分析仪由远程连接的电脑控制。实验的过程如下：天线辐射信号至待测物体，待测物内介电常数不同的区域将产生具有不同相位幅度特征的散射信号，记录网络分析仪上的反射系数。该反射系数将通过共焦算法计算介电常数存在异变的位置。
实验所用的网络分析仪为罗德与施瓦茨公司的R&SZVL6。天线连接网络分析仪的端口1进行发送和接收信号，模型每隔一固定时间旋转一次，每一次旋转后天线都会完成信号的发送和接收，将不同位置上采集到的回波损耗S11数据保存到终端设备中，在电脑端通过图像重建算法进行成像。
作为初步的实验验证，我们搭建了一个简易的模型，设直径为2.5cm，高为20cm且内部装满水的圆柱形玻璃管为目标区域，即异物模型，半径为7.5cm，高为20cm的装满混合植物油的圆柱形玻璃容器为待测物体。已知混合植物油的相对介电常数约为2～3，水的相对介电常数约为100。通过水与油的介电常数的差异，来模拟异物区域的与正常区域的介电常数的差异性。
图5为采用共焦算法处理的待测区域的介电常数分布图，实验时模型一共旋转31次，得到32个位置的天线S11数据并进行成像处理。从图中可见。充水玻璃管所在位置的介电常数明显与周围部分存在差异。结果初步证实了该天线用于异物检测的可行性。

Claims (8)

1.一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，包括位于中间的介质基板，在介质基板的两侧分别设有顶层辐射金属贴片层及底层接地板金属层，顶层辐射金属贴片层包括相连的一个半圆形辐射贴片和一段微带馈线，底层接地板金属层包括分离的一个半圆形接地贴片及一个阶梯状寄生耦合贴片，信号由微带馈线馈入，位于两侧的半圆形辐射贴片及半圆形辐射贴片共同形成一个偶极子天线。
2.如权利要求1所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，在所述半圆形辐射贴片上开有一个用于增加电长度的矩形缝隙。
3.如权利要求2所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述矩形缝隙的尺寸为18mm×0.1mm。
4.如权利要求1所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述阶梯状寄生耦合贴片由四个长宽不等的矩形贴片并联而成。
5.如权利要求1所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述半圆形接地贴片与所述阶梯状寄生耦合贴片之间相距2.39mm。
6.如权利要求1所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述半圆形辐射贴片及所述半圆形接地贴片的半径为19.61mm。
7.如权利要求1所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述微带馈线呈细长矩形。
8.如权利要求7所述的一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线，其特征在于，所述细长矩形的尺寸为20.39mm×0.15mm。
CN201610080381.8A 2016-02-04 2016-02-04 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线 Expired - Fee Related CN105811086B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610080381.8A CN105811086B (zh) 2016-02-04 2016-02-04 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610080381.8A CN105811086B (zh) 2016-02-04 2016-02-04 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105811086A true CN105811086A (zh) 2016-07-27
CN105811086B CN105811086B (zh) 2019-06-04

Family

ID=56466361

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610080381.8A Expired - Fee Related CN105811086B (zh) 2016-02-04 2016-02-04 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105811086B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106299612A (zh) * 2016-08-05 2017-01-04 天津大学 一种基于柔性可穿戴应用的单极子天线
CN107978849A (zh) * 2016-10-24 2018-05-01 财团法人金属工业研究发展中心 微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1151621A (zh) * 1995-09-27 1997-06-11 Ntt移动通信网株式会社 使用半圆形辐射器的宽频带天线
US20060158383A1 (en) * 2005-01-18 2006-07-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Substrate type dipole antenna having stable radiation pattern
CN201188456Y (zh) * 2008-03-21 2009-01-28 东南大学 具有抗干扰能力的小型化超宽带天线
CN103633439A (zh) * 2013-11-15 2014-03-12 西南交通大学 超宽带陷波天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1151621A (zh) * 1995-09-27 1997-06-11 Ntt移动通信网株式会社 使用半圆形辐射器的宽频带天线
US20060158383A1 (en) * 2005-01-18 2006-07-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Substrate type dipole antenna having stable radiation pattern
CN201188456Y (zh) * 2008-03-21 2009-01-28 东南大学 具有抗干扰能力的小型化超宽带天线
CN103633439A (zh) * 2013-11-15 2014-03-12 西南交通大学 超宽带陷波天线

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106299612A (zh) * 2016-08-05 2017-01-04 天津大学 一种基于柔性可穿戴应用的单极子天线
CN107978849A (zh) * 2016-10-24 2018-05-01 财团法人金属工业研究发展中心 微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN105811086B (zh) 2019-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Abbak et al. Experimental microwave imaging with a novel corrugated Vivaldi antenna
US8089417B2 (en) Microwave scanning system and miniaturized microwave antenna
Li et al. A compact double-layer on-body matched bowtie antenna for medical diagnosis
Abbosh Directive antenna for ultrawideband medical imaging systems
Islam et al. A compact slotted patch antenna for breast tumor detection
Ting et al. A miniaturized broadband bow-tie antenna with improved cross-polarization performance
Elsheakh et al. Ultra wide bandwidth high gain Vivaldi antenna for wireless communications
Neebha et al. Analysis of an ultra miniature capsule antenna for gastrointestinal endoscopy
Asok et al. Non‐invasive breast tumor detection with antipodal Vivaldi antenna using monostatic approach
Ali et al. Ultra-wideband antenna development to enhance gain for surface penetrating radar
Sediq et al. A novel shaped ultrawideband fractal antenna for medical purposes
CN105811086A (zh) 一种用于异物检测的小型超宽带贴片天线
Fernando et al. Fundamental issues in antenna design for microwave medical imaging applications
Syed et al. Metamaterial-loaded 16-printed log periodic antenna array for microwave imaging of breast tumor detection
Tiang et al. Development of a compact wide-slot antenna for early stage breast cancer detection featuring circular array full-view geometry
Chen et al. Small ultra wideband antennas for medical imaging
Lanini et al. Design of a slim wideband-antenna to overcome the strong reflection of the air-to-sample interface in microwave imaging
Shaikh et al. Detection and analysis of metal impairment inside wall using UWB Modified Antipodal Vivaldi Antenna
Shaikh et al. Recognition of Metal Objects inside Wall using Antipodal Vivaldi Antenna
Mohamed et al. Quad ridged UWB TEM horn antenna for GPR applications
Gibbins et al. Design of a UWB wide-slot antenna and a hemispherical array for breast imaging
Bourqui et al. Antenna performance for ultra-wideband microwave imaging
Shukla et al. Design of microwave imaging based microstrip ultra-wideband antenna
Dey et al. Design and analysis of a CPW‐fed flexible ultrawideband antenna for microwave imaging of breast cancer
Sagnard A compact coplanar broadband rectangular slot antenna with e-shaped feeding structure for GPR applications

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190604

Termination date: 20220204