生物醫(yī)學(xué)工程中超寬帶脈沖天線及其應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，亞納秒級甚至是皮秒級電場脈沖的產(chǎn)生得以實(shí)現(xiàn)，使得超寬帶技術(shù)在國防軍事和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在超寬帶技術(shù)的應(yīng)用中，超寬帶電場脈沖的輻射涉及到超寬帶脈沖輻射天線技術(shù)，因?yàn)槌瑢拵щ妶雒}沖具有極寬的帶寬，傳統(tǒng)天線不能夠滿足無失真輻射的要求，因此，用于超寬帶電場脈沖輻射和接收的超寬帶脈沖天線需要滿足在數(shù)十個倍頻程內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)、較好的方向性、承受高峰值脈沖功率不被擊穿的能力和具有較小的時域旁瓣和后瓣

2、等性能參數(shù)要求等。作為超寬帶系統(tǒng)的核心組成部分，超寬帶脈沖天線的性能決定了整個超寬帶系統(tǒng)的性能，因此，超寬帶脈沖天線的研究具有非常重要的意義。
　　 脈沖功率技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為生物醫(yī)療和生物成像，是電氣工程與生物醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。在生物醫(yī)療方面，已有的研究表明：高強(qiáng)度皮秒電場脈沖靶向聚焦于腫瘤組織，可以在皮秒電場脈沖的作用下誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，從而實(shí)現(xiàn)腫瘤的無創(chuàng)治療。該方法與傳統(tǒng)的癌癥治療方法相比

3、具有選擇性、靶向性且能夠有效處理腫瘤細(xì)胞等優(yōu)點(diǎn)，而無創(chuàng)治療技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于沖激脈沖輻射天線的合理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了一種可以用于無創(chuàng)治療的橢球型沖激脈沖輻射天線，尺寸大小約為120mm×120mm×105mm，根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知，該天線具有穩(wěn)定的方向圖特性，匹配阻抗為50歐姆，電壓駐波比在3.1-10.6GHz頻帶內(nèi)都小于2，增益穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上對該天線在生物工程中無創(chuàng)治療的實(shí)際情況進(jìn)行了進(jìn)一步分析，得出：如果利用該天線將脈沖信

4、號聚焦于生物體組織內(nèi)時，由于電磁場折反射的存在，無法形成有效的聚焦；為了解決這一問題，本文提出了在橢球型沖激脈沖輻射天線內(nèi)部填充與生物組織相對介電常數(shù)相近的耦合介質(zhì)和使用分層介質(zhì)透鏡兩種方法以實(shí)現(xiàn)脈沖在生物組織內(nèi)的有效聚焦，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證；
　　 而生物成像技術(shù)也是目前超寬帶技術(shù)發(fā)展和研究的熱點(diǎn)之一，該技術(shù)能夠以非常直觀的方式向人們展示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或功能，已經(jīng)成為疾病預(yù)防、臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究中不可或缺的有效工具，具有非

5、常廣闊的研究前景。與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，微波成像技術(shù)具有成像精度高、使用費(fèi)用低、可重復(fù)檢測等優(yōu)點(diǎn)，而微波成像技術(shù)的性能在一定程度上取決于用于收發(fā)窄電場脈沖的輻射天線和接收天線的性能。因此，本文設(shè)計(jì)了一種用于生物成像的結(jié)構(gòu)簡單、工作原理簡單、成本低且性能優(yōu)秀的新型超寬帶脈沖天線--Valentine天線，這是一種行波天線，工作于300MHz-3GHz，在數(shù)值分析軟件中的Valentine天線的時域特性進(jìn)行了仿真分析；同時根據(jù)該天線在實(shí)際應(yīng)