IJBI 国际生物医学影像杂志 1687-4196 1687-4188 Hindawi出版公司公司 697253 10.1155 / 2012/697253 697253 研究论文 面波多径信号在近场微波成像 米尼 保罗·M。 1 Shubitidze Fridon 1 范宁 玛格丽特W. 1 Kmiec 马切伊 2 爱泼斯坦 尼尔·R。 1 Paulsen 基思D. 1、3 恐惧 伊莉斯 1 工程学院塞耶 达特茅斯学院 汉诺威,NH 03755 美国 dartmouth.edu 2 放射科 达特茅斯医学院 汉诺威,NH 03755 美国 dartmouth.edu 3. 诺里斯棉花癌症中心 Dartmouth-Hitchcock医疗中心 黎巴嫩,新罕布什尔州03756 美国 dhmc.org 2012 10 4 2012 2012 14 09 2011 10 01 2012 18 01 2012 2012 ©2012保罗·米尼等。 这是知识共享署名许可,允许在任何媒体不受限制地使用,分发和复制下发布的开放式访问文章,提供原工作正确引用。

微波成像技术容易受到不需要的多径信号的干扰。近场系统尤其脆弱,因为信号可以从成像区域内或边界上的结构物体散射和反射。当表面波产生并可能沿着发射和接收天线馈线和其他低损耗路径传播时,这些问题会进一步恶化。本文分析了表面波效应对多径信号的贡献。具体地说,实验是用一个近场微波成像阵列在一个耦合液罐的底部的可变高度进行的。在流体中对不同馈线长度的天线阵列也进行了评估。结果表明,在测量阵列的最长传输距离上,表面波会破坏接收到的信号。然而,只要馈线长度足够长,且与发射/接收天线尖端与成像槽底板的距离无关,表面波效应就可以消除。理论预测证实了实验观察结果。

1.简介

当沿任何备用路径原始传输传播并最终耦合到接收器的不想要的部分扭曲所需信号的振幅和相位发生在许多微波和RF应用多径信号[ 1- - - - - - 4]。在多径信号的幅度足够大,其影响是相当大的。在多基地雷达和通信系统中,这些类型的干扰是最经常与邻近或实际上在光束路径中的物体导致的任一主光束或旁瓣的反射。典型的例子包括主光束传播靠近地球表面与离地面或水的相关联的反射(图 1(一) 5]。通过时间门控,可以使用各种方法来过滤或补偿这些反射[ 6]和信号时间同步[ 7]。

与可能的反射和表面波传播路径的液体介质中的天线塔和线的现场对可能的多径信号和(b)之间的双基地通信(a)的插图近场成像箱。

用于从近场应用程序基本上多径信号干扰的增加的电势(图 1 (b)),特别是在接收和发射硬件集成的情况下。一种常见的形式是使用多个接收通道,但通道隔离不充分。商用多通道网络分析仪(如Rohde & Schwarz的ZVT8;(德国慕尼黑)利用稳健的策略来最小化这些信号耦合问题。我们正在开发用于医用微波成像的多通道收发阵列,利用近场概念绘制感兴趣组织的电学属性图(介电常数和电导率)[ 8, 9],并通过(a)为每个通道配备专用混频器(b)额外的固态隔离开关(c)双编和三编同轴电缆,以及(d)分区的射频电路,解决了这个问题。该实现已被证明对我们的应用程序有效,可实现大于130 dB的通道/信号隔离[ 8]。一种替代的数据采集策略集成了商业,2端口网络分析器与电子交换网络馈送的天线阵列[ 10- - - - - - 12],这是有效的,但也有其局限性,因为(ⅰ)动态范围是由网络分析器的规定的约束,(II)两路信号损耗通过网络发生,和(iii)的开关矩阵具有横相对较差通道隔离[ 10]。

在近场成像同样重要的是多条路径的信号可以采取所述成像区域内。数据 图2(a) 图2(b)展示我们的临床乳房成像罐的照片和所述天线配置的示意图,分别。在这种情况下,16个单极天线阵列包围乳房,并且可以移动到多个垂直位置。The antennas and target are submerged in a solution of glycerin and water which is lossy over the operating frequency range (700 MHz–3 GHz). Early empirical tests have indicated that reflections off the tank side walls do not impact the desired signals for an array with the antennas mounted on a 15.2 cm diameter circle [ 13]。同样地,单极子束图案作为频率的函数的分析已经表明,工件是最小的,当所述阵列在所述罐的顶部接近所述液体界面[ 14]。

示出了成像箱,液体储存器,和天线运动系统的临床成像系统的内部(a)的照片。的微波电子被容纳防火墙向左后面;(b)该天线阵列配置的示意图。

相对于反射断底表面,所述箱的底部是至少1.8波长(在最低频率)在我们的最初的临床安装天线的活性部分下方当阵列考试期间位于其最低位置。由于最小的多径信号,导致从关闭顶部液体表面反射,对称性会建议相同的应当对罐的底部为真(图 1 (b))。然而,在近场系统中,表面波会产生特别难以消除的多径信号。它们的激发可能是复杂的,但是它们在两个材料界面上的传播特性,无论是平面还是圆柱结构,已经被深入研究[[endnoteref: 2]]。 15- - - - - - 20]。表面波可以很容易地在两个介质材料或一个导体与一个介质直接并置的界面上传播。它们的传播和衰减特性名义上由两种材料的电学特性决定。此外,它们的振幅在远离界面的垂直方向呈指数衰减,这是互补材料损耗的函数[ 15]。

值得注意的是,这些研究部分源于我们在实际磁共振扫描仪中对患者进行微波层析成像的努力,目的是利用磁共振的精确空间分辨率以及组织介电特性的更具体性质。磁阻孔非常小,对微波系统的空间限制很大。最初的尝试包括缩短与较短的照明槽相关的天线馈线。这是我们第一次遇到多路径信号破坏的地方,随后导致了这项研究。

在下面的部分中,我们将讨论系统中几何图形的这些模态的理论基础。我们演示了当前成像系统中的一些案例,其中的测量结果表明,与坦克底座相关联的多路径信号的期望信号出现了损坏。然后,我们展示了一些实验,这些实验允许我们部分地将表面波与沿着其他路径传播的效应分离开来。我们意识到在天线周围有许多传播模式,它们的馈线和容器表面,其中表面波只是一个可能的贡献者,但理解这些贡献是重要的。我们提出了一个最小化这些信号影响的初始策略,这可能对其他近场成像系统的设计具有指导意义,包括模拟验证了之前的理论讨论和验证了我们的馈电线设计策略。

2.方法 2.1。多路径的腐败

当传输信号的一部分沿着不需要的路径传播并在接收端与原始信号重新组合时,就会发生具有挑战性的情况。由于两者发生在相同的频率,滤波通常是无效的。当多路径信号的性质被很好地理解时,时间门控策略有时是有效的[ 1, 2]。衰减是处理这些无用信号的另一种方法。当原始传输为连续波时,多径信号的潜在影响可以写成 结果 信号 = 一个 因为 ( ω t + φ ) , 哪里 φ = 一个 黄褐色 - 1 ( B 1 一个 1 ) , 一个 = 一个 1 2 + B 1 2 , 一个 1 = ( 一个 因为 φ + 一个 国会议员 因为 φ 国会议员 ] , B 1 = ( 一个 φ + 一个 国会议员 φ 国会议员 ] 这里, 一个 , 一个 国会议员 , φ , φ 国会议员 分别为期望信号振幅和多径信号相位, ω 是工作频率,和 t 是时间。例如,如果多径信号的幅度比期望信号的幅度小25 dB,那么合成信号的最大可能振幅和相位误差将分别为0.48 dB和3.22°。对于一个−15 dB的多径信号,这些值增加到1.42 dB和10.24度。显然,对于与期望信号具有相同数量级的多径信号,由此产生的相位和振幅误差会变得非常显著。应该指出的是,可以有许多具有振幅和相位贡献范围的多径贡献。这个单一贡献者分析提供了一个概念,即有害的影响可能是重要的,并且可以推广到多个来源。

2.2。面波分析 2.2.1。有机玻璃Base和耦合液体之间平面的界面

第一种要考虑的表面模式包括沿罐底与耦合液的界面传播。根据Stratton的分析[ 15],图 3.示出了在区域1中的平面波的界面上入射( x = 0 )与区域2。在这种情况下,磁场( H ÿ )仅定向于 ÿ - 方向(离开页面)。在两个区域中的复相对介电特性 ε 1 = ε 1 - j ε 1 ε 2 = ε 2 - j ε 2 , 分别。当反射系数是零(在布儒斯特角),其是复数值在此情况下发生的经典表面波溶液。如果 一个 被入射平面波的幅度,那么入射光和透射波的磁性成分可以被表示为 H ÿ = 一个 e ( j h 1 x - j β ž ] , x > 0 , H ÿ = 一个 e ( j h 1 x - j β ž ] , x < 0 , 哪里 h 1 2 + β 2 = k 1 2 h 2 2 + β 2 = k 2 2 来满足波动方程, k 1 k 2 对于这两个区域的波数,和 β 为传播常数。

平面波入射两个介电材料之间的平面接口上的图。

对于这两个区域的波阻抗由下式给出 Z ̅ 1 = h 1 k 1 Z 1 = h 1 k 1 Z 0 1 ε 1 - j ε 1 , Z ̅ 2 = h 2 k 2 Z 2 = h 2 k 2 Z 0 1 ε 2 - j ε 2 , 哪里 Z ̅ 1 Z ̅ 2 是在相应的区域中的自由空间阻抗,和 Z ̅ 1 Z ̅ 2 是相关联的波阻抗[ 21, 22]。这个收益率 h 1 κ = h 2 , 哪里 κ = ε 2 ε 1 = ε 2 - j ε 2 ε 1 - j ε 1 从这些关系中,我们可以求出 h 1 = k 0 ε 1 ( 1 - κ ) 1 - κ 2 , h 2 = k 0 ε 1 κ 2 ( 1 - κ ) 1 - κ 2 , β = k 0 ε 1 κ ( 1 - κ ) 1 - κ 2

2.2.2。金属同轴导体周围的耦合液体

在这种情况下,我们主要感兴趣的表面波沿着同轴电缆的外部传播,和它们相关的衰减距离的模式之后的功能已经被充分建立。对于这种分析,我们将考虑一个同轴线,其被突然通过开口端终止的情况下(图 4)。

同轴表面波和相关联的坐标的励磁的图示。

同轴电缆支持一个TEM-mode电磁场入射到电缆的开口。一部分信号部分反射到电缆中,而第二部分以表面波的形式沿周围电缆的外部传播。通过求解同轴开口上电场径向分量的积分方程,可以得到同轴开口处的分布: 1 4 π ρ + j ω ε c 一个 b E ρ ( ρ , 0 ) K c ( ρ , ρ ) ρ d ρ = j ω ε 1 π 一个 b E ρ ( ρ , 0 ) K c ( ρ , ρ ) ρ d ρ 0 π 因为 φ e - j k r r d φ , 哪里 ε c ε 1 是同轴电缆绝缘体的复数值的介电常数和周围的电介质材料,分别 一个 b 是内和外同轴的半径,分别 ω 是弧度工作频率,和 k 是在耦合液体,其中,所述波数 μ 0 为自由空间磁导率。 ρ ρ 是径向圆柱坐标内部和外部的同轴电缆,分别 φ 是同轴电缆内的角坐标,并 r 被定义为 r = ρ 2 + ρ 2 - 2 ρ ρ 因为 φ 。的变量 K c ( ρ , ρ ) 被表示为 K c ( ρ , ρ ) = j Σ n = 0 φ n ( ρ ) φ n ( ρ ) 一个 n 2 β n , 哪里 φ n ( ρ ) = Y 0 ( γ n 一个 ) J 1 ( γ n ρ ) - J 0 ( γ n 一个 ) Y 1 ( γ n ρ ) , β n = { k c 2 - γ n 2 , k c > γ n ± j γ n 2 - k c 2 , k c > γ n , 一个 n 2 = 2 π 2 γ n 2 ( J 0 2 ( γ n 一个 ) J 0 2 ( γ n b ) - 1 ] , n > 0 , 一个 0 2 = ln b 一个 特征值 γ n 是特征方程的解决方案: Y 0 ( γ n 一个 ) J 1 ( γ n b ) = J 0 ( γ n 一个 ) Y 1 ( γ n b ) , 哪里 J n Y n 是第一和第二种顺序的贝塞尔函数 n ,分别与 k c 为同轴内的波数。一次 E ρ ( ρ , ž = 0 ) 被确定,然后电场和磁场可以在任何点发现 ( ρ , ž ) 在周围介质中 E ρ ( ρ , ž ) = 1 π 一个 b E ρ ( ρ , 0 ) ρ 0 π ( j k + 1 R ) ž 因为 φ e - j k R R d φ d ρ , 要么 E ρ ( ρ , ž ) = 1 π 一个 b E ρ ( ρ , 0 ) ρ × 0 π ( 1 ρ - ( j k + 1 R ) ] ρ - ρ 因为 φ R e - j k R R d φ d ρ H φ ( ρ , ž ) = j ω ε 1 π 一个 b E ρ ( ρ , 0 ) ρ × 0 π 因为 φ e - j k R R d φ d ρ , 哪里 R = ž 2 + ρ 2 + ρ 2 - 2 ρ ρ 因为 φ 由这些方程可知,周围介质中的电磁场近似衰减为 e - j k R

2.3。乳腺成像系统

数字 图2(a)显示了在我们目前的临床乳房成像系统中使用的照明槽。每个单极天线由一个暴露长度(3.8厘米)2.2毫米直径半刚性同轴电缆组成,只有中心导体和绝缘聚四氟乙烯层完好无损。为了机械坚固性,同轴馈线被封闭在一个6.4毫米直径的刚性不锈钢管中,天线的主动部分覆盖着一个伴随长度的德林圆筒,作为一个保护天线罩。铜同轴外导体与不锈钢套管之间的空间两端用银环氧树脂密封,以消除波沿间隙的传播。天线在700 - 3000mhz的带宽上有-10 dB的标称返回损失。天线/储罐底座处的黑色德林配件包含液压密封,天线通过该密封使阵列垂直运动,同时消除任何耦合流体泄漏。16个天线被放置在一个直径15.2厘米的圆上,两组8个交叉天线都由容器下的独立安装板支撑,以8个天线为一组提供独立的运动。水箱采用有机玻璃制作,内壁直径27.3 cm,厚度1.3 cm,底座厚度2.5 cm。所有连接电缆都是双编织,以减少杂散辐射。在这些实验中,天线被放置在靠近坦克基座的高度(没有在任何临床试验中使用)来详细研究多径现象。

2.4。实验成像坦克

数据 5(一个), 5 (b), 图5(c)示出了三个照明舱具有不同高度的,单极天线的阵列,以及由相同的树脂玻璃制造了这一点,与图具有相同的直径和壁/基层厚度同轴馈线 图2(a)坦克。输送管通过每个油箱底部的孔,并固定在SMA法兰连接件上,法兰连接件用螺栓固定在油箱底部。容器中装满了80:20甘油/水的混合物,液位在天线顶端1.5 cm以上。在数据 5(一个) 图5(c),thefeed lines were both 10 cm long; however, the latter was bent in a serpentine shape such that the top height of the feed line was only 5 cm above the tank floor. The feed line in Figure 5 (b)was straight and was only 5 cm long.

Photographs of the three imaging tanks and antennas used in experiments: (a) taller tank with straight 10 cm feed line lengths, (b) shorter tank with the straight 5 cm feed line lengths, and (c) the short tank with the 10 cm feed line lengths in a serpentine shape.

2.5。材料的介电性能

在这些实验中,我们使用的有机玻璃的罐体材料用的介电常数 ε r = 2.7 这是在该频率范围内有效地无损[ 23]。The dielectric properties of the 80 : 20 glycerin/water bath are plotted in Figure 6作为频率的函数。

Dielectric properties of the 80 : 20 glycerin : water bath.

3.结果与讨论 3.1。临床实验系统

利用部分中描述的临床系统 2.2,一个+5 dBm signal was transmitted at multiple frequencies over the 700–2500 MHz range from a single antenna and received at the remaining 15 antennas. This sequence was repeated for the array positioned at multiple heights above the tank base. Receive antenna amplitudes are plotted for representative frequencies in Figure 7。一个t900 MHz, the measured levels are high for the receivers closest to the transmitter (relative receiver numbers 1, 2, 14, and 15) compared to the rest of the array and do not change dramatically with changes in antenna height. However, the amplitudes are considerably lower for the more distant receive antennas. For antenna heights 7 cm or greater (above the tank floor), the attenuation follows a smooth curve hitting a maximum at antenna 8 (which is furthest away from the transmitter being located on the opposite side of the array). At antenna heights 5 cm and lower, the signal levels begin to deviate from this smooth pattern. The behavior is consistent with the three frequencies shown in Figure 7。Given that the distance from the antennas to the tank side walls did not change during the experiments, and that the antennas were sufficiently far from the liquid/air interface at all times for any array heights (10 cm in the worst case), the corruption of these most distantly received signals appears to be caused by multipath propagation associated with antenna tip proximity to the base of the tank most probably due to reflections off of the tank base or surface wave propagation along the dielectric interfaces.

信号振幅测量接收器与临床系统在图 2for a single transmitter over a range of antenna heights above the tank base (3, 5, 7, 9, 11, and 13 cm) for (a) 900, (b) 1300, and (c) 1700 MHz, respectively.

3.2。实验坦克

在这组实验中,我们使用了章节中描述的照明槽和天线 2.3。数据 8(一个) 8 (b)显示在10厘米和5厘米的直线馈线长度的频率范围内的单个发射机接收的信号 5(一个) 5 (b)), 分别。For the longer (10 cm) lines in Figure 8(一个)中,场图案出现行为良好的像那些在上一节中,当阵列被定位在罐底板上方最大高度。However, the patterns for the shorter (5 cm) line lengths in Figure 8 (b)与临床系统中阵列高度最接近罐底时的情况类似,由于较长的传播距离导致信号损坏(如图所示) 7)。These corrupted signals are nominally between −50 to −70 dBm and occur in uneven patterns relative to the same signals from the longer feed lines which reach −80 to −90 dBm at the furthest antenna. For the shorter propagation distances (i.e., the signals received at antennas 1–4 and 12–15), the attenuation patterns from the shorter and longer feed lines are similar (Figure 8 (b) 8(一个))。这些结果表明,在实验罐和上一节的临床系统测试中,不需要的多径信号效应是相同的,并取决于从罐底部开始的天线高度。然而,在图 8 (c)中,天线馈电长度是完全一样的,如图 8(一个),但它是弯曲的,使得天线尖端与图中天线在水箱底板上方的高度相同 8 (b)(这导致信号损坏);然而,测量结果仿效与图 8(一个)(没有被损坏的)。在这里,主动部分的天线仍然定位在相同的15.2厘米直径的圆,在其他两个坦克。这些发现表明,在图中观察到的主要信号损坏 8 (b)是不是因为离罐底部的反射;否则会出现图 8 (c)由于天线是在基地两个以上数字的相同位置 8 (b) 8 (c)。应当注意的是,在节中讨论这一状况的信号中断的出现比在临床系统中使用的天线更充实 3.1。这很可能是由于在液压密封,馈线屏蔽和天线罩的其他系统的设计差异。

在接收机处,如图测量单个发射机在实验成像罐信号幅度 5一个t900,1300,1700 MHz with the (a) 10 cm straight, (b) 5 cm straight, and (c) 10 cm curved coaxial feedlines, respectively.

更可能的是,在图中的多径信号 8 (b)从表面波沿着同轴线的外侧行进,穿过有机玻璃/液体和/或树脂玻璃/空气界面(具有短进料管线)导致和备份接收机同轴馈送的外部。在节中的理论思考 2.2表明,沿着同轴线的衰减比从平面罐基表面波模式更为可观。数字 图9(a)shows a plot of attenuation as a function of frequency for 15.2 cm of Plexiglas/liquid surface waves and indicates that very little attenuation of a surface wave propagating along this interface occurs at the frequencies we used. Thus, in our experiments, the real source of surface wave attenuation comes from propagation along the outside of the coaxial lines. Figure 图9(b)shows plots of the attenuation that results from single 5 and 10 cm lengths of feed line in the coupling fluid. The theoretical predictions of attenuation along the two 5 cm antenna feed lengths (transmit and receive) and the path along the Plexiglas base/liquid interface are approximately 70 dB ({2 × 34 dB} + 2 dB) for the 1 GHz case (values interpolated from Figures 图9(a) 图9(b))。Given a transmit power level of +5 dBm, the resultant −65 dBm multipath signal for the shorter line would easily corrupt the desired −81 dBm signal (Figure 8(一个))。The 140 dB attenuation for the longer lines easily solves this problem. Only when the feed lines are nearly doubled in length, and the associated surface wave attenuation increased accordingly is the corruption of the desired signals reduced to an acceptable level.

表面波衰减作为频率的函数(a)平面模式之间的界面树脂玻璃和浴缸长度15.2厘米和(b)同轴模式有损介质(80:20甘油:水浴)周围的金属导体5和10厘米的长度。

3.3。模拟场分布

随着章节的分析讨论 2.1 2.2中,我们还进行了在部分中描述的配置中的模拟 2.4。数据 10(一), 10(b)和 10(c)分别为长、短、直天线馈电和长、蛇形结构的900 MHz电场强度分布。这些仿真计算使用ANSYS (Burlington, MA, USA) HFSS版本13.0。对于所有情况,都有一个合理的宽幅天线图案从天线的主动部分向外发散,并且这个特性对于所有馈线类型是合理地相似的。对于直线馈线,特别是较长的馈线,很明显沿同轴线产生了相当大的表面电流。对于较短的直管,在水平界面下方的树脂玻璃体内沿同轴线有很高的场强。沿界面的场基本上与我们先前的概念一致,即表面波优先在低损耗介质中传播(在这种情况下是树脂玻璃),因为可以从直线下面的大幅度较大的振幅看出。

模拟了(a)长、直同轴馈电、(b)短、直同轴馈电和(c)长、蛇形结构的900 MHz电场强度分布(以dB为单位,相对于天线尖端场归一化)。

结果表明,蛇形馈电线的电场强度低于短直线馈电线的有机玻璃。数字 11在三个对应图中显示了从天线正下方向右延伸140厘米的点到液体界面下的场强图。较长的直线的字段值要小得多,但与较短的直线相比,蛇形直线的字段值也要小得多。对于蛇形的情况,似乎有一些信号耦合之间的馈线弯和树脂玻璃。如章节所述 1,表面波从表面呈指数衰减,并且考虑到馈线和液体/有机玻璃界面的接近,一些耦合是预期的。

Graph of the 900 MHz electric field magnitudes (dB) along the lower side of the Plexiglas : liquid interface from the point directly under the antenna and extending horizontally for all three distributions shown in Figure 10

4。结论

不希望的多径信号的潜在破坏性影响是在翻译近场微波成像的关键考虑接近到临床和商业系统。对于我们的非接触式的天线的方法,表面声波(相对于从成像罐壁信号反射)显示为它们沿横跨该照明箱地板传递同轴线的外部传播和备份的同轴馈送线,以使最大作用接收器。当成像罐是深和发射/接收天线的提示是足够远高于罐的基础上,面波信号被充分地抑制相对于通过组织传输。The results presented here indicate that 9-10 cm of distance along the feed line is adequate. However, reducing the tank depth is of interest for practical reasons and is essential in some settings and appears possible because reflections from the floor of the tank are still too small to degrade the measured signals propagating through tissue. Indeed, we found that antenna tip distances as little as 5 cm from the tank floor maintain receiver signal fidelity across the array provided the surface wave contributions are attenuated through an equivalent feedline length approaching 10 cm. These findings are significant because they indicate that the antenna array and imaging tank geometry can be altered substantially by manipulating the shape of the antenna feed line, which can be exploited to ensure sufficient surface wave attenuation. There are certainly other mechanisms for multipath propagation including coupling of fields from the feedlines directly to portions of the breast tissue outside the immediate plane of propagation and are certainly good topics for further investigation.

承认

本文部分由美国国立卫生研究院资助UC不支持。R33-CA102938。

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