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。
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[
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
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
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
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。
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[
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[
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
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
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:
数字
数据
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.
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
Dielectric properties of the 80 : 20 glycerin : water bath.
利用部分中描述的临床系统
信号振幅测量接收器与临床系统在图
在这组实验中,我们使用了章节中描述的照明槽和天线
在接收机处,如图测量单个发射机在实验成像罐信号幅度
更可能的是,在图中的多径信号
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。
随着章节的分析讨论
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
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
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.
本文部分由美国国立卫生研究院资助UC不支持。R33-CA102938。