CN107978849A - 微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统。微带天线结构包含基板、环状微带结构和信号传输端口。基板具有相对的第一表面和第二表面。环状微带结构设置在基板的第一表面上，其用以形成辐射频带。信号传输端口设置在基板的第二表面上，其贯穿基板且电性连接至环状微带结构。环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面的半功率带宽与在第二垂直平面的半功率带宽的差小于5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面与微带天线结构的主要平面互相垂直。本发明可解决在三维空间中各垂直平面上信号接收不均等的问题，使得其影像还原质量可有效提升，进而提升其检测准确度。
Description
技术领域
本发明是有关于一种微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统。
背景技术
微带天线(microstrip antenna)具有成品轻薄和制作容易等优点，故已广泛应用在例如移动电话或导航机等以轻薄化为要求的无线通信设备上。就微带天线而言，其产生的辐射场型、增益和极性主要取决于微带天线的架构和形状。另一方面，在医学应用的微波成像系统中，可通过微波耦合天线所收发的无线微波信号来检测人体内部器官的健康状况。通过应用在微波成像系统的微波影像还原技术，可实现非侵入式健康诊断功能。然而，若是利由公知微带天线作为微波成像系统中的微波耦合天线，则会造成在三维空间中各垂直平面上信号接收不均等的问题，而导致扫描影像质量及检测准确度降低。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统，其可解决在三维空间中各垂直平面上信号接收不均等的问题，使得其影像还原质量可有效提升，进而提升其检测准确度。
根据本发明的上述目的，提出一种微带天线结构，此微带天线结构包含基板、环状微带结构和信号传输端口。基板具有相对的第一表面和第二表面。环状微带结构设置在基板的第一表面上，其用以形成辐射频带。信号传输端口设置在基板的第二表面上，其贯穿基板且电性连接至环状微带结构。环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面的半功率带宽(Half Power Bandwidth；HPBW)与在第二垂直平面的半功率带宽的差小于5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面与微带天线结构的主要平面互相垂直。
依据本发明的一实施例，上述环状微带结构的波导长度介于2λg与3λg之间，其中λg为电磁波在环状微带结构中对应该辐射频带的中心频率的波导波长(guidedwavelength)。
依据本发明的又一实施例，上述环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面中的半功率带宽与在第二垂直平面中的半功率带宽实质相等。
依据本发明的又一实施例，上述环状微带结构为环状同轴线、环状共面波导线、环状槽线或环状带线。
依据本发明的又一实施例，上述基板为FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化铝基板、RO系列基板、高温共烧陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、透明导体基板或半导体基板。其中，RO系列基板包含选自氧化镁、氧化钙、氧化锶与氧化钡所组成的族群中的至少一种。
根据本发明的上述目的，另提出一种微带天线结构，此微带天线结构包含基板、多个环状微带结构和多个信号传输端口。基板具有相对的第一表面和第二表面。这些环状微带结构设置于基板的第一表面上且排列为阵列，其用以形成辐射频带。这些信号传输端口设置于基板的第二表面上，其贯穿基板且分别电性连接至这些环状微带结构。这些环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面的半功率带宽与在第二垂直平面的半功率带宽之差小于5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面与微带天线结构的主要平面互相垂直。
依据本发明的一实施例，每个环状微带结构的波导长度介于2λg与3λg之间，其中λg为电磁波在每个环状微带结构中对应辐射频带的中心频率的波导波长。
根据本发明的上述目的，提出一种微波成像系统，包含微波扫描单元、微波信号处理单元和控制与记录单元。微波扫描单元包含发射器和接收器，其中发射器用以产生均匀电场，并发射无线微波信号至待测物体，且接收器用以接收穿透待测物体的无线微波信号。接收器包含上述任何一种微带天线结构。微波信号处理单元电性连接至微波扫描单元。微波信号处理单元用以自接收器输入无线微波信号，并对无线微波信号进行介电参数分析和影像还原解析。控制与记录单元电性连接至微波扫描单元和微波信号处理单元。控制与记录单元用以控制微波扫描单元且记录由微波信号处理单元所处理的无线微波信号，并对微波信号处理单元提供数据读写功能。
依据本发明的一实施例，上述均匀电场的平面电场尺寸大于900平方厘米。
依据本发明的又一实施例，上述发射器产生的最小电场强度与最大电场强度的比值介于80％与95％之间。
本发明的优点在于，本发明的微带天线结构及应用微带天线结构的微波成像系统可解决在三维空间中各垂直平面上信号接收不均等的问题，使得其影像还原质量可有效提升，进而提升其检测准确度。
附图说明
为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合附图方式做下列描述，其中：
图1是绘示依据本发明实施例的微带天线结构的剖面示意图；
图2A是绘示依据本发明实施例的微带天线结构的俯视图；
图2B是绘示依据本发明实施例的微带天线结构的仰视图；
图3是绘示依据本发明实施例的微带天线结构操作在不同频率下的返回损失(return loss)的示意图；
图4A是绘示依据本发明实施例的微带天线结构操作在产生的电场场型在三维坐标空间的YZ平面的电场强度图；
图4B是绘示依据本发明实施例的微带天线结构操作在产生的电场场型在三维坐标空间的XZ平面的电场强度图；
图5是绘示依据本发明实施例的微波成像系统的方块示意图；
图6A是绘示依据比较例的微波成像系统对待测物体进行扫描所得到的扫描影像图；以及
图6B是绘示依据本发明实施例的微波成像系统对待测物体进行扫描所得到的扫描影像图。
具体实施方式
以下仔细讨论本发明的实施例。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的发明概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论的特定实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。
在本文中所使用的“第一”和“第二”等词，并非指称特定次序或顺位，也非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件。
请参照图1，图1是绘示本发明实施例微带天线结构100的剖面示意图。微带天线结构100为单馈入的天线结构，其包含基板110、环状微带结构120、信号传输端口130和接地导体140，且其主要平面与三维坐标空间的XY平面平行。基板110可以是FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化铝基板、RO系列基板、高温共烧陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、透明导体基板、半导体基板或其他类似基板，其中RO系列基板可包含氧化镁、氧化钙、氧化锶与氧化钡等材料或其组合。基板110具有相对的第一表面111和第二表面112，其中环状微带结构120设置在基板110的第一表面111上，而信号传输端口130和接地导体140设置在基板110的第二表面112上。
环状微带结构120在第一表面111上形成辐射频带。在本实施例中，环状微带结构120可以是环状同轴线、环状共面波导线、环状槽线或环状带线。此外，环状微带结构120可包含钛、钴、钨、铪、钽、钼、铬、银、铜、铝等金属，或是包含上述金属的合金，但不限于此。环状微带结构120产生的电场场型在三维坐标空间的XZ平面的半功率带宽(Half PowerBandwidth；HPBW)与在三维坐标空间的YZ平面的半功率带宽之差小于5度。此外，环状微带结构120的波导长度可介于2λg与3λg之间，其中λg为电磁波在环状微带结构120中对应辐射频带的中心频率的波导波长(guided wavelength)。进一步地，在一些实施例中，环状微带结构120产生的电场场型在三维坐标空间的XZ平面的半功率带宽与在三维坐标空间的YZ平面的半功率带宽实质相等。
请参照图2A，图2A是绘示微带天线结构100的俯视图。在图2A中，环状微带结构120定义出间隔G1、G2、G3，其中间隔G1为I字形状间隔，而间隔G2、G3为长条状间隔。在微带天线结构100的平面方向上，由间隔G2、G3延伸的虚拟直线(图未绘示)为环状微带结构120的对称轴，而信号传输端口130位于间隔G1的长度为LG1Y的分支与间隔G3之间。间隔G1、G2、G3可通过进行微影和蚀刻工艺形成。在一些实施例中，环状微带结构120的长度L120为11.2公分，间隔G1的长度LG1X、LG1Y分别为6.2公分和5.8公分，间隔G2的长度LG2为3.5公分，间隔G3的长度LG3为4.5公分，且间隔G1的各个分支、间隔G2和间隔G3的宽度W均为0.2公分。
信号传输端口130贯穿基板110且进而电性连接至环状微带结构120，其用以传导环状微带结构120所接收的信号。在一些实施例中，信号传输端口130可包含SMA接头，以通过外接缆线而将信号自环状微带结构120传输至他处。信号传输端口130可包含钛、钴、钨、铪、钽、钼、铬、银、铜、铝等金属，或是包含上述金属的合金，但不限于此。在一些实施例中，信号传输端口130所包含的材料与环状微带结构120相同。
接地导体140设置在基板110的第二表面112上。接地导体140可包含钛、钴、钨、铪、钽、钼、铬、银、铜、铝等金属，或是包含上述金属的合金，但不限于此。在一些实施例中，接地导体140所包含的材料与环状微带结构120和/或信号传输端口130相同。
请参照图2B，图2B是绘示微带天线结构100的仰视图。在图2B中，接地导体140定义出空间140A，且信号传输端口130设置在空间140A中。在微带天线结构100的平面方向上，信号传输端口130与接地导体140之间具有预定间距，使得信号传输端口130与接地导体140为电性绝缘。
图3是绘示微带天线结构100操作在不同频率下的返回损失(return loss)的示意图，其中微带天线结构100采用的基板110为FR4基板，此FR4基板的介电常数(dielectricconstant)为4.4、厚度为1.6毫米以及损失正切(loss tangent)为0.025，且其所形成的辐射频带的中心频率为9.73吉赫(GHz)。由图3可知，在频率约为9.73吉赫时，其返回损失可达到-17dB。
图4A和图4B分别为微带天线结构100在中心频率下产生的电场场型在三维坐标空间的YZ平面和XZ平面的电场强度图，其中环状微带结构120的波导长度约为2.6λg。由图4A和图4B可知，微带天线结构100在中心频率下产生的电场场型在三维坐标空间的YZ平面和XZ平面的半功率带宽HPBWYZ和HPBWXZ分别为90度和92.5度，两者之差距低于5度。由上述可知，微带天线结构100可使两垂直平面的半功率带宽之差在5度之内。
请参照图5，图5是绘示本发明实施例微波成像系统200的方块示意图。微波成像系统200可应用在微波影像系统上，例如用于检测生物体的微波医学影像系统。举例而言，微波成像系统200可应用在大脑检测或乳房检测等，但不限于此。
在图5中，微波成像系统200包含微波扫描单元210、微波信号处理单元220和控制与记录单元230。微波扫描单元210包含发射器212和接收器214。发射器212用以产生均匀电场，并对待测物体B发射无线微波信号，且接收器214用以接收穿透待测物体B后的无线微波信号。在一些实施例中，发射器212所产生的均匀电场的平面尺寸大于900平方厘米，且发射器212产生的最小电场强度与最大电场强度的比值介于80％与95％之间。接收器214可包含一个或多个微带天线结构100。若是接收器214包含多个微带天线结构100，则这些微带天线结构100上的环状微带结构120可排列成阵列，其用以共同形成辐射频带。
微波信号处理单元220电性连接至微波扫描单元210，其用以自接收器214输入无线微波信号，并对无线微波信号进行介电参数分析和影像还原解析，进而得到待侧物体B的扫描影像。
控制与记录单元230电性连接至微波扫描单元210和微波信号处理单元220，其用以控制微波扫描单元且记录由微波信号处理单元所处理的无线微波信号，并对微波信号处理单元220提供数据数据读写功能。
图6A和图6B分别为依据比较例的微波成像系统和本发明的微波成像系统200对圆形金属待测物体进行扫描所得到的扫描影像图，其中比较例的微波成像系统产生的电场场型在三维坐标空间的YZ平面的半功率带宽与在三维坐标空间的XZ平面的半功率带宽之差大于5度。比较图6A和图6B可知，使用比较例的微波成像系统所得到的待测物体影像为椭圆形，而使用本发明的微波成像系统200所得到的待测物体影像为圆形。因此，相较于比较例的微波成像系统，使用本发明的微波成像系统200所得到的对象影像具有较低的变形量，故本发明的微波成像系统200具有较佳的影像还原质量。
由以上说明可知，本发明的微波成像系统的特点在于，通过应用上述实施例的微带天线结构，其得到的对象影像可具有较低的变形量，即可正确显示出待测物体的实际形状。因此，本发明的微波成像系统可有效提升待测物体的影像还原质量，进而提升检测准确度。此外，本发明的微带天线结构具有架构微小和制作简易的优点，且应用在微波成像系统中可降低电路整合的复杂度和硬件体积及成本。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (10)
1.一种微带天线结构，其特征在于，包含：
基板，具有相对的第一表面和第二表面；
环状微带结构，设置在所述基板的所述第一表面上，所述环状微带结构用以形成辐射频带；以及
信号传输端口，设置在所述基板的所述第二表面上，所述信号传输端口贯穿所述基板且电性连接至所述环状微带结构；
其中，所述环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面的半功率带宽与在第二垂直平面的半功率带宽之差小于5度，其中所述第一垂直平面、所述第二垂直平面与所述微带天线结构的主要平面互相垂直。
2.如权利要求1所述的微带天线结构，其特征在于，所述环状微带结构的波导长度介于2λg与3λg之间，其中λg为电磁波在所述环状微带结构中对应所述辐射频带的中心频率的波导波长。
3.如权利要求1所述的微带天线结构，其特征在于，所述环状微带结构产生的电场场型在所述第一垂直平面中的半功率带宽与在所述第二垂直平面中的半功率带宽实质相等。
4.如权利要求1所述的微带天线结构，其特征在于，所述环状微带结构为环状同轴线、环状共面波导线、环状槽线或环状带线。
5.如权利要求1所述的微带天线结构，其特征在于，所述基板为FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化铝基板、RO系列基板、高温共烧陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、透明导体基板或半导体基板；
其中，所述RO系列基板包含选自氧化镁、氧化钙、氧化锶与氧化钡所组成的族群中的至少一种。
6.一种微带天线结构，其特征在于，包含：
基板，具有相对的第一表面和第二表面；
多个环状微带结构，设置于所述基板的所述第一表面上且排列为阵列，所述多个环状微带结构用以形成辐射频带；以及
多个信号传输端口，设置于所述基板的所述第二表面上，所述多个信号传输端口贯穿所述基板，且所述多个信号传输端口分别电性连接至所述多个环状微带结构；
其中，每个所述环状微带结构产生的电场场型在第一垂直平面的半功率带宽与在第二垂直平面的半功率带宽之差小于5度，其中所述第一垂直平面、第二垂直平面与所述微带天线结构的主要平面互相垂直。
7.如权利要求6所述的微带天线结构，其特征在于，每个所述环状微带结构的波导长度介于2λg与3λg之间，其中λg为电磁波在每个所述环状微带结构中对应所述辐射频带的中心频率的波导波长。
8.一种微波成像系统，其特征在于，包含：
微波扫描单元，包含发射器和接收器，所述发射器用以产生均匀电场，并发射无线微波信号至待测物体，且所述接收器用以接收穿透所述待测物体的所述无线微波信号，其中所述接收器包含如权利要求1至7中任一项所述的微带天线结构；
微波信号处理单元，电性连接至所述微波扫描单元，所述微波信号处理单元用以自所述接收器输入所述无线微波信号，并对所述无线微波信号进行介电参数分析和影像还原解析；以及
控制与记录单元，电性连接至所述微波扫描单元和所述微波信号处理单元，所述控制与记录单元用以控制所述微波扫描单元且记录由所述微波信号处理单元所处理的所述无线微波信号，并对所述微波信号处理单元提供数据资料读写功能。
9.如权利要求8所述的微波成像系统，其特征在于，所述均匀电场的平面电场尺寸大于900平方厘米。
10.如权利要求8所述的微波成像系统，其特征在于，所述发射器产生的最小电场强度与最大电场强度的比值介于80％与95％之间。
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