一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线技术方案

本发明专利技术涉及一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，包括多层次结构天线，所述多层次结构天线共有三层，每层之间留有空隙，其中，第一层为导向层、第二层为介质层、第三层为反射层；所述介质层正面贴有金属贴片，背面贴有接地贴片。本发明专利技术可以有效的判断出被检测物体内部是否有异物存在以及异物的位置。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线
本专利技术涉及微波检测
，特别是涉及一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线。
技术介绍
微波检测是指以微波作为信息的载体的一种检测手段，微波的频率在300MHZ-300GHZ，相应的波长为1mm-1m之间，微波具有较高的频率，并且频带宽、波长短、能穿透电离层以及方向性好的特性。所有这些特性使得微波可以被应用于检测领域，其原理是利用微波扫描待检测物体，然后收集由物体散射的信号，通过信号分析来重构物体的形状或者内部介电常数的分布。由于介电常数的大小与物体的组织的含水量相关，所以微波检测非常适用于生物体检测技术。并且与X光等传统检测技术相比，微波检测更加便捷、安全、便宜。微带天线是由介质板、导体接地板(参考地)、辐射贴片(辐射元)三个部分组成。一般情况下采用同轴线馈电或者微带线馈电，在辐射元以及接地板之间形成断路以形成高频的电磁场，并通过接地板以及导体之间的缝隙辐射电磁波能量。作为检测系统的发射与接收装置，天线是关键的技术环节。微波检测系统对天线的性能提出了更高的要求。尤其在带宽、尺寸、方向性以及可穿戴性这几个方面有了新的需求。但传统的天线存在方向性以及尺寸较大的缺陷，不能很好的应用于微波检测系统。微带天线使用贴片作为辐射单元，其结构简单、尺寸小、方向性好等优点，得到了广泛的应用，可以很好应用到微波检测系统。近年来微带天线在小型化超带宽定向性上有了新的发展，并且越来越受到研究学者的重视。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，可以有效的判断出被检测物体内部是否有异物存在以及异物的位置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，包括多层次结构天线，所述多层次结构天线共有三层，每层之间留有空隙，其中，第一层为导向层、第二层为介质层、第三层为反射层；所述介质层正面贴有金属贴片，背面贴有接地贴片。所述导向层为金属片。所述金属片为圆形金属片，所述金属片的半径为13.5mm，厚度为0.5mm。所述导向层与介质层之间设置有金属柱。所述金属柱的高度为6.5mm，直径为0.6mm。所述介质层采用的介质基板，所述介质基板的材料为FR4，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02，所述介质基板的半径为19mm，高度为1mm。所述反射层为金属环。所述金属环为金属圆环，内径为13.5mm，外径为19mm。所述金属贴片由一个基于笛卡尔圆定理的圆形分形结构与馈电微带线组成，所述接地贴片由圆形与多边形缝隙组成。所述导向层与介质层之间的距离为7mm，所述介质层与反射层之间的距离为5.5mm。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术的高增益定向宽带天线通过模式识别子空间分析法进行了仿真以及系统实验，从仿真以及实验的结果可以得出，该天线能够很好分辨出被检测物体内是否存在异物，并且通过交叉验证判断出异物的位置，说明该天线能够很好的应用于微波检测系统。附图说明图1是本专利技术的截面示意图；图2是本专利技术中金属贴片示意图；图3是本专利技术中接地贴片示意图；图4是模拟实验系统结构示意图；图5是有无癌变组织情况下该天线的仿真S21参数曲线图；图6是实验样本分类结果图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，如图1所示，包括多层次结构天线，所述多层次结构天线共有三层，每层之间留有空隙，其中，第一层为导向层1、第二层为介质层2、第三层为反射层3；所述介质层2正面贴有金属贴片4，背面贴有接地贴片5。天线工作时，电流由微带线接入，经分型结构将电流分散，以此来拓宽天线带宽；通过添加反射层以及导向层固定天线在工作带宽内的发射方向，同时起到了一定的拓展带宽作用。为了减小天线的尺寸，将天线的形状设计成圆形，同时更易用于检测系统，天线的半径长度约为其中，λ0为真空中的工作波长，εeff为介质板的等效介电常数。通过使用HFSS对天线结构仿真，找出天线的最优结构导向层1由一个圆形金属片与一根金属柱6组成，其中，圆形金属片半径为13.5mm，厚度为0.5mm，金属柱6高度为6.5mm，直径为0.6mm；介质层2采用介质基板，与导向层1相距6.5mm，介质基板的材料为FR4，其相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02，介质基板的半径为19mm，高度为1mm；反射层3为金属圆环，与介质层2相距5.5mm，金属圆环的内径为13.5mm，外径为19mm。如此形成的天线整体最大宽度为38mm的圆形，厚度为14mm其中，介质层2的正面贴有由一个基于笛卡尔圆定理的圆形分形贴片与馈电微带线形成的金属贴片4(见图2)，背面贴有由圆形与多边形缝隙组成的接地贴片5(见图3)。为了达到定向辐射的效果，本阀门使用了3层结构起到了反射以及导向的作用，为了拓展带宽，在介质层上铺上了分形结构的金属贴片，同时在导向层以及介质层之间添加了一根金属圆柱，同样很大程度的拓展了带宽。从天线的测试结果得出，该天线的工作带宽为2.9GHZ-4.7GHZ(低于-10dB)，定向辐射，增益7-8dB。检测系统使用子空间模式识别算法进行异物检测以及定位，由于异物区域与正常区域一般存在明显的介电常数差异，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。将天线应用于模拟乳腺癌检测实验系统，系统结构如图4所示，由网络矢量分析仪、天线、乳房模型、计算机几个部分组成，天线作为发射与接收装置，收集经乳房模型散射的信号，经过信号分析后判断出乳房模型中是否有癌变物质。在模拟实验系统中，使用甘油与水的混合物来调制与乳房组织介电常数相同的溶液，用水(介电常数为78)代替癌变组织，乳房模型由两层的烧杯组成，外层溶液介电常数约为55，用于代替肌肉组织，内层溶液介电常数约为60，用于代替腺体组织；在内层溶液中放入盛满水的试管代替癌变组织。收集数据时分别收集放入试管的数据以及不放入试管的数据，分别作为癌变样本与健康样本；通过改变试管位置增加癌变样本数量，通过向内层溶液中添加甘油，改变内层溶液的介电常数，增加健康样本数量。利用CST对天线进行了模拟系统仿真，从图5中的仿真结果可以看出，当乳房有无癌变组织情况下收集的S21信号有明显的差异，这样更有利于分类。当天线应用于模拟系统实验中，经过信号收集以及分析后，数据的分类结果如图6所示，分类的过程中随机选取了5组作为训练样本，经过训练后，选取剩余的5组作为测试样本；由图中的分类结果可知，利用该定向天线收集的有肿瘤与无肿瘤的乳房信号能够被很好的分类开来，初步验证了天线的有效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，包括多层次结构天线，其特征在于，所述多层次结构天线共有三层，每层之间留有空隙，其中，第一层为导向层(1)、第二层为介质层(2)、第三层为反射层(3)；所述介质层(2)正面贴有金属贴片(4)，背面贴有接地贴片(5)。

【技术特征摘要】
1.一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，包括多层次结构天线，其特征在于，所述多层次结构天线共有三层，每层之间留有空隙，其中，第一层为导向层(1)、第二层为介质层(2)、第三层为反射层(3)；所述介质层(2)正面贴有金属贴片(4)，背面贴有接地贴片(5)。2.根据权利要求1所述的用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，其特征在于，所述导向层(1)为金属片。3.根据权利要求2所述的用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，其特征在于，所述金属片为圆形金属片，所述金属片的半径为13.5mm，厚度为0.5mm。4.根据权利要求2所述的用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，其特征在于，所述导向层(1)与介质层(2)之间设置有金属柱(6)。5.根据权利要求4所述的用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线，其特征在于，所述金属柱(6)的高度为6.5mm，直径为0.6mm。6.根据权利要求1所述的用于微...

【专利技术属性】
技术研发人员：项实，吴怡之，叶声，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31