一种平面超宽带单极子天线
阅读说明：本技术 一种平面超宽带单极子天线 (Plane ultra-wideband monopole antenna ) 是由 刘楚钊 陈意钒 池淼 丁亚辉 宫正 张卉 赵兵妹 巫昆仑 刘磊 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种平面单极子天线,包括：单极子辐射器,所述单极子辐射器的上部设置有多条槽线。本发明的平面单极子天线采用单极子辐射器,使其在具有宽频带的同时,保证结构简单、体积小,可以提高脑卒中检测设备的便携性。此外,该天线的定向性强,结构紧凑,且天线间互耦影响小。另外,该天线的增益较高,可在介电常数较高的耦合剂环境中工作,用于脑卒中检测。该天线在医学成像领域具有极高的应用价值。(The invention relates to a planar monopole antenna, comprising: the monopole radiator, the upper portion of monopole radiator is provided with many slot lines. The planar monopole antenna adopts the monopole radiator, so that the planar monopole antenna has a wide frequency band, ensures simple structure and small volume, and can improve the portability of the stroke detection equipment. In addition, the antenna has strong directionality, compact structure and small mutual coupling influence among the antennas. In addition, the antenna has high gain, can work in a couplant environment with high dielectric constant, and is used for detecting cerebral apoplexy. The antenna has extremely high application value in the field of medical imaging.)
技术领域
本发明涉及天线
技术领域
和医学成像领域，具体涉及一种平面超宽带单极子天线。背景技术
脑卒中是指急性起病、迅速出现局限性或弥漫性脑功能缺失征象的脑血管性临床事件。脑卒中是造成人类死亡的主要疾病，在各类致死疾病中排名第二。脑卒中的高发病率与高死亡率对其诊断提出了严峻的挑战，提高脑卒中诊断水平已经刻不容缓。目前主流的脑卒中诊断手段主要有X射线计算机断层成像(X-ray computed tomography，X-ray CT)和核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging，MRI)。X-ray CT和MRI技术诊断结果准确可靠，但设备昂贵、体积庞大、便携性差。X-ray CT使用过程中对人体存在辐射伤害，可能增加致癌风险。这些缺点使得这两项技术不便用于事故现场实时诊断、患者病情长时间连续监测和人群筛查等一般诊断场合中。为了解决上述情形下脑卒中的诊断困难，技术人员进行了新型脑成像技术的探索。
目前，生物医学微波近场成像技术作为一种新型脑成像技术，已开始应用于脑卒中诊断的研究。生物医学微波近场成像的基本原理是利用微波照射生物组织或器官产生散射场，通过检测回波信号来重构显示被照射物体介电常数特性图像。超宽带平面微波天线作为简易的超宽带信号收发系统，是成像系统的关键硬件。
现有技术公开了一种印刷单极贴片天线，该天线的尺寸为30×34mm2。通过对部分接地层和所加短截线的优化，可以在宽范围(3-7GHz频带)内实现良好的阻抗匹配。然而，该天线结构中加载了短截线，使得尺寸有所增大，同时还增加了结构的复杂性。
现有技术还公开了一种在UHF频段工作的超宽带微带单极子天线。该天线由半圆形辐射器组成。该天线通过在传输线下方的接地层上刻蚀三个不同的等边六边形互补裂环谐振器，拓宽了带宽。然而，该天线结构较为复杂，加工精度要求高。此外，该天线的增益较低，且工作环境往往为空气，不能在医学成像应用中的高介电常数的耦合剂环境下工作。
以上现有技术均存在为了拓宽带宽而增大天线尺寸或结构复杂度的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种平面单极子天线，该天线采用单极子辐射器，使其在具有宽频带的同时，保证结构简单、体积小，可以提高脑卒中检测设备的便携性。
为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
一种平面单极子天线，包括：单极子辐射器，所述单极子辐射器的上部设置有多条槽线。
本发明还提供一种脑卒中检测设备，其包括上述平面单极子天线。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1、本发明的平面单极子天线采用单极子辐射器，使其在具有宽频带的同时，保证结构简单、体积小，可以提高脑卒中检测设备的便携性。
此外，该天线的定向性强，结构紧凑，且天线间互耦影响小。
另外，该天线的增益较高，可在介电常数较高的耦合剂环境中工作，用于脑卒中检测。该天线在医学成像领域具有极高的应用价值。
2、本发明的平面单极子天线的辐射场为TM波，简化了对散射场的求解过程，从而可得到更精确的大脑各区域的介电常数值。
3、本发明的平面单极子天线基于介质基板的加工工艺相当成熟，制作过程简单，成本低，成品率高，可以满足低成本脑卒中扫描仪设备的要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的平面单极子天线的俯视示意图和仰视示意图。
图2为非梳状平面单极子天线的俯视示意图和仰视示意图。
图3为本发明的平面单极子天线的S11参数的仿真结果曲线图。
图4为非梳状平面单极子天线的S11参数的仿真结果曲线图。
图5-7为本发明的平面单极子天线分别在500MHz、700MHz和1GHz三个工作频率的远场区电场分布图。
图8-9为本发明的平面单极子天线分别在0.6GHz频率和0.9GHz频率的三维方向图。
附图标记说明
100为介质基板，200为单极子辐射器，201为槽线，300为微带馈线，400为金属焊盘，401为金属圆柱，500为金属地板。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
下面结合附图对本发明的平面单极子天线作进一步说明。
图1为本发明的平面单极子天线的俯视示意图和仰视示意图。具体地，如图1所示，本发明的平面单极子天线包括：单极子辐射器200，单极子辐射器200的上部设置有多条槽线201。
单极子辐射器200可以是铝、铁、锡、铜、银、金或铂金属，或者是铝、铁、锡、铜、银、金和铂中任意一种的合金。
单极子辐射器200可以是矩形、正方形或椭圆形。在一个具体实施方案中，单极子辐射器200为矩形，其长度可为40-60mm，宽度可为10-25mm；优选地，长度可为45-50mm，宽度可为15-20mm。在一个具体实施例中，单极子辐射器200的长度为47.0mm，宽度为16.8mm。通过采用这一尺寸参数，可以使单极子天线工作在脑卒中检测所需要的500MHz-1GHz频段内。
在一个具体实施方案中，单极子辐射器200的下部设有两个对称的切角(图1未示出)，切角可以是三角形，其角度大小和边长可根据阻抗带宽的需要进行灵活调整。两个对称分布的切角可以改善天线的阻抗匹配。
槽线201的数量和尺寸可以根据天线的工作带宽需要灵活调整。相邻两条槽线201的间距优选相同。多条槽线201形成梳状结构。单极子辐射器200设计为梳状结构，可以实现宽带阻抗匹配。
本发明的平面单极子天线采用单极子辐射器，使其在具有宽频带的同时，保证结构简单、体积小，可以提高脑卒中检测设备的便携性。此外，该天线的定向性强，结构紧凑，且天线间互耦影响小。另外，该天线的增益较高，可在介电常数较高的耦合剂环境中工作，用于脑卒中检测。该天线在医学成像领域具有极高的应用价值。
在一个具体实施方案中，本发明的平面单极子天线包括：
介质基板100；
单极子辐射器200，单极子辐射器200的上部设置有槽线201，单极子辐射器200设置在介质基板100的上表面；
微带馈线300，设置在介质基板100的上表面且与单极子辐射器200的下边缘连接；
两个金属焊盘400，两个金属焊盘400上均设置有金属圆柱401，两个金属焊盘400均设置在介质基板100的上表面且对称地设置在微带馈线300下部的两侧；以及
金属地板500，设置在介质基板100的下表面且位于微带馈线300的下方，金属地板500与金属圆柱401连接。
介质基板100采用环氧玻纤布基板FR-4。介质基板100的介电常数为4.3-4.6，损耗角正切值与频率相关，在频率为1GHz时损耗角正切值约为0.01。介质基板100的长度和宽度均分别大于单极子辐射器200的长度和宽度。介质基板100的加工工艺成熟，成本低，制作过程简单，成品率高，可以满足应用于脑卒中检测的紧凑型梳状平面单极子超宽带天线低造价的要求。
在一个具体实施例中，介质基板100为矩形，单极子辐射器200为设有切角的矩形。单极子辐射器200的长边与介质基板100的长边平行设置，单极子辐射器200的短边与介质基板100的短边平行设置。单极子辐射器200的短边的中线与介质基板100的短边的中线重合。
微带馈线300可以是铝、铁、锡、铜、银、金或铂金属，或者是铝、铁、锡、铜、银、金和铂中任意一种的合金。在一个具体实施方案中，单极子辐射器200为设有切角的矩形，微带馈线300为矩形。微带馈线300的上边缘与单极子辐射器200的下边缘连接，微带馈线300的下边缘与介质基板100的下边缘齐平。微带馈线300与单极子辐射器200直接连接进行馈电。微带馈线300的短边的中线与单极子辐射器200的短边的中线重合，保证结构的对称性。
在一个具体实施方案中，采用SMA(Sub-Miniature A)连接器连接微带馈线300和金属焊盘400，其中，SMA连接器的接口内芯与微带馈线300连接，SMA连接器的接口外芯与金属焊盘400连接。SMA连接器价格低廉，可降低本发明的平面单极子天线的生产成本。
金属焊盘400可以是铝、铁、锡、铜、银、金或铂金属，或者是铝、铁、锡、铜、银、金和铂中任意一种的合金。金属焊盘400的下边缘与介质基板100的下边缘齐平。金属焊盘400上可设置多个金属圆柱401，例如1-10个。本发明对于金属圆柱401的个数没有特别限制，只要能够实现微带馈线300和金属地板500的电连接即可。
金属地板500可以是铝、铁、锡、铜、银、金或铂金属，或者是铝、铁、锡、铜、银、金和铂中任意一种的合金。金属地板500可为矩形。金属地板500的上边缘与微带馈线300的上边缘齐平，金属地板500的下边缘与介质基板100的下边缘齐平，金属地板500的左边缘与介质基板100的左边缘齐平，金属地板500的右边缘与介质基板100的右边缘齐平。
本发明人借助有限元电磁仿真算法，对本发明的梳状平面单极子天线进行了仿真验证，S11参数(输入端口回波损耗)仿真结果的曲线如图3所示。另外，本发明人还对非梳状平面单极子天线(如图2所示)进行了仿真验证，S11参数仿真结果的曲线如图4所示。对比所述两个天线的S11参数可以看出，本发明的梳状平面单极子天线在0.5-1.5GHz频段范围内的S11值均小于-10dB；而非梳状平面单极子天线在0.5-1.5GHz频段内的部分S11值大于-10dB；这表明本发明的梳状平面单极子天线极大地拓宽了带宽。
图5-7为本发明的平面单极子天线分别在500MHz、700MHz和1GHz三个工作频率的远场区电场分布图。可以看出，本发明的平面单极子天线的远区辐射场为TM波(Transversemagnetic wave)。这简化了对散射场的求解过程，从而可得到更精确的大脑各区域的介电常数值。
图8-9为本发明的平面单极子天线分别在0.6GHz频率和0.9GHz频率的三维方向图。可以看出，本发明的平面单极子天线具有较强的定向性。
本发明的平面单极子天线具有较宽的带宽，较强的定向性，能够满足医学成像的应用要求。
本发明的平面单极子天线可工作于相对介电常数为30的液体耦合剂中，通过对各天线阵元的S参数进行反演，得到大脑中各区域的介电常数分布，反映出大脑内部结构，并通过求解病变区域内介电常数的升降，反映局部出血、缺血状况，从而实现脑卒中的检测。
本发明的平面单极子天线可组成环形阵列。将该环形阵列固定到成像检测装置上，可应用于救护车、体检室等场景；也可将该环形阵列固定到成像检测装置上并做成体积小、重量轻的可穿戴式设备，让患者能够居家使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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