近场微波成像中的表面波多径信号

抽象

微波成像技术容易受到多余的多径信号的破坏。近场系统尤其脆弱，因为信号可以从成像区域内或成像区域边界上的结构物体散射和反射。当表面波有可能沿发射和接收天线馈线和其他低损耗路径传播时，这些问题进一步恶化。在本文中，我们分析了由表面波效应引起的多径信号的贡献。实验采用了一种近场微波成像阵列，该阵列位于耦合油箱底板的变高度处。对不同进给线长度的天线阵列进行了数值模拟。结果表明，表面波在整个测量阵列的最长传输距离内对接收信号产生破坏。然而，如果馈线长度足够长，且与发射/接收天线头与成像罐底板的距离无关，则表面波效应可以消除。理论预测证实了实验观察。

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]。可以使用各种方法通过时间门控来过滤或补偿这些反射[6]和信号时间同步[7]。

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)），特别是在接收和发送硬件集成的情况。当多个接收信道采用与信道的隔离不充分时，会发生常见形式。可商购的多通道网络分析仪（例如，由ZVT8罗德与施瓦茨;慕尼黑，德国）利用健壮的手段来减少这些信号耦合问题。我们正在开发用于医疗微波成像多信道收发阵列，其利用近场的概念，以产生感兴趣的组织[电属性映射（介电常数和电导率）8,9并通过合并(a)每个通道的专用混频器，(b)用于隔离的额外固态开关，(c)双和三编织同轴电缆，和(d)分隔射频电路解决了这个问题。该实现已证明对我们的应用程序实现大于130分贝的信道/信号隔离是有效的[8]。另一种数据采集策略是将一个商用的双端口网络分析仪与一个电子交换网络相集成，以向一组天线提供数据。[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。图图2（a）和图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]。

在我们最初的临床安装中，当阵列位于测试期间的最低位置时，罐的底部至少有1.8波长(最低频率)低于天线的活动部分。由于最小的多径信号来自顶部液体表面的反射，对称意味着同样的情况也适用于罐的底部(图2)1 (b))。然而，在近场系统中，表面波会导致难以消除的多径信号。它们的激发可以是复杂的，但它们沿两种材料界面(无论是平面还是沿圆柱状结构)的传播特性以前已作过深入研究[15- - - - - -20.]。表面波可以很容易地在两种介质材料或直接与介质并列的一种导体的界面上传播。它们的传播和衰减特性在名义上是由这两种材料的电性能决定的。此外，它们的振幅沿垂直方向在远离界面处呈指数衰减，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MR扫描仪中对患者进行微波层析成像的努力，目的是利用MR的精确空间分辨率以及更具体的组织介电特性。内径相当小，对微波系统的空间有很大的限制。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径信号损坏，随后导致了这项研究。

在下面的章节中，我们将讨论这些模态在我们的系统中所存在的几何的理论基础。我们展示了来自我们现有成像系统的案例，其中的测量表明来自与水箱底部相关的多径信号的期望信号损坏。然后我们展示了一些实验，这些实验使我们能够部分地分离沿其他途径传播的表面波的影响。我们认识到在天线、馈线和罐面周围有许多传播模式，表面波只是其中一个可能的贡献者，但理解这些贡献是重要的。我们提出了一种最小化这些信号影响的初始策略，这可能对设计其他近场成像系统具有指导意义，包括模拟确认早期的理论讨论和验证我们的馈线设计策略。

2.方法

2.1。多路径腐败

发生一个具有挑战性的情况当所发射的信号的传播沿不需要的路径，并重组在接收机原始信号的部分。因为两者发生在同一频率，滤波一般是无效的。时间选通策略有时是有效的，当多径信号的性质是很好理解的[1,2]。衰减是处理这些无用信号的另一种手段。多径信号的电位影响当原始传输是连续波可以被写为 哪里 在这里,,,和分别为期望信号幅值和多径信号相位，为工作频率，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- 15db多径信号，这些值增加到1.42 dB和10.24°。显然，合成的相位和幅值误差对于与期望信号具有相同数量级的多径信号非常重要。应该注意的是，可以有许多多路径贡献，其幅度和相位范围各不相同。这个单一的贡献者分析提供了这样一种感觉:不想要的影响可能是显著的，并且可以推广到多个源。

2.2。面波分析

2.2.1。有机玻璃基体与耦合液之间的平面界面

所考虑的第一种表面模式涉及沿罐底和耦合液体之间的界面传播。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（）与区域2。在这种情况下，磁场（）仅定向于-方向(页面外)。这两个区域的复合相对介电性能是和， 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。如果是入射平面波的振幅，那么入射和透射波的磁分量可以表示为 哪里和需要满足波动方程，和对于这两个区域的波数，和是传播常数。

对于这两个区域的波阻抗由下式给出 哪里和对应区域的自由空间阻抗为吗和是相关联的波阻抗[21,22]。这产生 哪里 从这些关系中，我们可以解出

2.2.2。金属同轴导体环绕由耦合液

在这种情况下，我们主要感兴趣的是沿同轴电缆外部传播的表面波，以及它们在模态充分建立后随距离变化的相关衰减。在本分析中，我们将考虑同轴电缆突然被开口端终止的情况(图1)4)。

同轴电缆支撑入射在电缆开口上的瞬态电磁场。信号的一部分部分反射到电缆中，而第二部分作为沿周围电缆的外部传播的表面波传播。通过求解开孔处电场径向分量的积分方程，可以确定向周围空间传输的电场分布: 哪里和为同轴电缆绝缘子和周围介质材料的复值介电常数，和为内、外同轴半径，工作频率以弧度为单位，耦合液体中的波数在哪里是自由空间磁导率。和为同轴电缆内外的径向柱坐标，是同轴电缆内的角坐标吗被定义为。变量被表示为 哪里 特征值为特征方程的解: 哪里和贝塞尔函数是一阶和二阶吗分别为,是同轴线内的波数。一次被确定，然后电场和磁场可以在任何点发现在从周围介质中 或 哪里 由这些方程可知，周围介质中的电磁场近似为。

2.3。乳腺成像系统

数字图2（a）显示我们目前临床乳房成像系统中使用的照明槽。每个单极天线包括一个暴露长度(3.8厘米)2.2毫米直径半刚性同轴电缆，只有中心导体和绝缘聚四氟乙烯层完好无损。为了机械鲁棒性，同轴馈线被封装在直径6.4毫米的刚性不锈钢管中，天线的有源部分被一个作为保护天线罩的德林圆柱体的伴随长度覆盖。铜同轴外导体和不锈钢套管之间的空间在两端用银环氧树脂密封，以消除沿间隙传播的波。在700-3000兆赫的带宽上，天线的名义回波损耗为-10 dB。天线/油箱基座上的黑色德林配件包含液压密封件，天线通过液压密封件进行馈电，允许天线阵列垂直运动，同时消除任何耦合流体泄漏。16个天线被放置在一个直径为15.2厘米的圆上，两组8个交错天线由水箱下的独立安装板支撑，提供8组独立的阵列运动。罐体采用有机玻璃制作，内壁直径27.3 cm，厚度1.3 cm，底座厚度2.5 cm。所有连接电缆均为双编织，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(在任何临床试验中都没有使用)，以详细研究多径现象。

2.4。实验成像坦克

图图5（a）,5 (b)和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）罐。进料管线通孔中的每个箱的底部传递并紧固到用螺栓安装在箱底SMA凸缘的连接器。The tanks were filled with an 80 : 20 glycerin/water mixture with the liquid level 1.5 cm above the antenna tips. In Figures图5（a）和5 (c)，进给线均为10厘米长;然而，后者是弯曲的蛇形，这样的饲料线的顶部高度只有5厘米以上的坦克地板。图中的馈线5 (b)是直的，只有5厘米长。

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这是在该频率范围内有效地无损[23]。80: 20甘油/水浴的介电性能如图所示6作为频率的函数。

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,a +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 Figure7。在900mhz时，与阵列其他部分相比，离发射机最近的接收机(相对接收机编号1、2、14和15)的测量电平较高，并且不随天线高度的变化而发生显著变化。然而，对于距离较远的接收天线，其振幅要低得多。对于天线高度大于或等于7厘米(罐底以上)的情况，衰减曲线平滑，在天线8处达到最大值(离位于阵列另一侧的发射机最远)。在天线高度5厘米或更低时，信号水平开始偏离这个平滑的模式。该行为与图中所示的三个频率一致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.

3.2。实验的坦克

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。图图8（a）和图8（b）show the received signals for a single transmitter over a range of frequencies for straight feed line lengths of 10 cm and 5 cm (tanks in Figures图5（a）和5 (b)),分别。图中较长的(10厘米)线图8（a）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图8（b）从较长的传播距离造成的信号表现出腐败类似于当阵列高度为最接近罐为临床系统的基座（在图7)。这些损坏的信号通常在- 50到- 70 dBm之间，并且与来自较长的馈线的相同信号相比，出现不均匀的模式，这些馈线在最远的天线上达到- 80到- 90 dBm。对于较短的传播距离(即,the signals received at antennas 1–4 and 12–15), the attenuation patterns from the shorter and longer feed lines are similar (Figure图8（b）与图8（a）)。这些结果表明，在前一节的实验罐和临床系统试验中，不希望出现的多径信号效应是相同的，并且取决于天线距罐底的高度。然而,在图8 (c)，天线馈电长度如图所示图8（a）但弯曲的，使得所述天线顶端是罐底部如图天线上述相同的高度图8（b）（这导致信号损坏）;然而，测量结果仿效与图图8（a）(没有被腐蚀)在这里，天线的有源部分仍然定位在相同的15.2厘米直径圆在其他两个坦克。这些结果表明，图中观察到的主要信号是腐败图8（b）是不是因为离罐底部的反射;否则会出现图8 (c)因为两个图形的天线都在基座上方的同一位置图8（b）和8 (c)。应该注意的是，这种情况下的信号中断似乎比本节讨论的临床系统中使用的天线的信号中断更为严重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。

更可能的是，在图中的多径信号图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结果表明，与平面槽基面波模态相比，沿同轴方向的衰减要大得多。数字9(一个)图中显示了15.2 cm的有机玻璃/液体表面波的衰减随频率的变化，并表明沿界面传播的表面波在我们使用的频率处几乎没有衰减。因此，在我们的实验中，表面波衰减的真正来源是沿同轴电缆外的传播。数字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 Figures9(一个)和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图8（a）)。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.

3.3。模拟领域分布

随着章节的分析讨论2.1和2.2，我们还对部分描述的配置进行了模拟2.4。图10(一),10（b）和10(c)分别显示用于天线馈电的长、短、直和较长、蛇形结构的900mhz电场幅值分布。这些模拟是使用ANSYS (Burlington, MA, USA) HFSS version 13.0进行计算的。对于所有情况，都有一个相当宽的天线图案从天线的有源部分向外发散，这个特征对于所有馈线类型都相当类似。对于直线进给，特别是较长的进给，很明显有相当大的沿同轴线产生的表面电流。对于较短的直管，在水平界面下方的有机玻璃体积内沿共轴线有较高的场强。沿界面的场通常与我们之前的概念一致，即表面波优先在低损耗介质(在本例中是树脂玻璃)中传播，这可以从直线下方的振幅大得多的情况下看到。

为蛇纹石馈线的结果与在有机玻璃场强度比为短，直线情况下先前的结果是一致的。数字11显示了在液体界面下方的电场强度图，该图显示了从天线下方向右延伸140厘米的点到所有三个相应图的电场强度。对于较长的直线，字段值要小得多，但是对于蛇形曲线的情况，字段值也要比较短的直线情况小得多。对于蛇形的情况，似乎有一些信号耦合之间的低馈线弯和有机玻璃。如本节所述1，表面波确实从表面呈指数衰减，并考虑到馈线和液体/有机玻璃界面的接近，一些耦合是预期的。

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。

参考文献

1. J.高，F.苏和G许，“多路径效应消除在ISAR图像重建，”在微波和毫米波技术国际会议论文集（ICMMT '07）， 2007年4月1-4页。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
2. V. F.麦加，D.莱玛克里斯南和J. L. Krolik，在“MIMO雷达空时自适应处理多径缓解杂波，”第四届IEEE传感器阵列及多通道信号处理研讨会论文集(SAM '06)，第249-253，2006年7月。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
3. D. B. Trizna“为布儒斯特角的阻尼和在低掠射角微波雷达回波海多径效应模型，”IEEE交易对地球科学与遥感，第35卷，no。5，第1232-1244页，1997。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
4. “基于多站雷达原理的ASDE雷达性能的潜在增强”，中华民国雷达学会数字航空电子系统20会议记录，第7C4 / 1-7C4 / 16，2001年10月。查看在：谷歌学术搜索
5. H. R.安德森，固定宽带无线系统设计， John Wiley & Sons出版社，奇切斯特，英国，2003年。
6. 邱国春，“超宽带无线传输信道与超宽带接收机优化设计研究”，IEEE通信选域期刊，第20卷，no。9、第1628-1637页，2002。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
7. 雷南，“讯号同步器”，美国专利，第5 402450号，1995。查看在：谷歌学术搜索
8. 李丹、米尼、雷纳德、彭德格拉斯、范宁和波尔森，“乳房成像的平行检测微波光谱系统”，科学仪器回顾卷。75，没有。7，第2305年至2313年，2004年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
9. P. M. Meaney, M. W. Fanning, T. Raynolds等，“微波乳房成像在正常乳房x线照相术妇女中的初步临床经验，”学术放射学卷。14，没有。2，第207-218，2007。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
10. 蒋海超、李正昌、李德华，“乳房肿瘤的微波影像:组织影像与临床实验”，国立台湾医学研究所硕士论文。医学物理卷。32，没有。8，第2528至2535年，2005年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
11. M.克列姆，I. J.克拉多克，J.A. Leendertz，A.普里斯和R.本杰明“采用半球形天线阵列的实验结果基于雷达的乳腺癌检测，”天线和传播的IEEE事务卷。57，没有。6，第1692至1704年，2009年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
12. C.于，M.元，J.斯唐等人，“活性微波成像II：3- d系统的原型和从实验数据的图像重建，”IEEE交易对微波理论与技术，第56卷，no。4、文章ID 4472845，页991-1000,2008。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
13. P. M. Meaney, K. D. Paulsen, A. Hartov，和R. K. Crane，“用于重建二维电性能分布的有源微波成像系统”IEEE交易在生物医学工程，第42卷第1期。10，页1017-1026,1995。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
14. c.j. Fox, p.m.m Meaney, f.s bitidze, l.p twin，和k.d. Paulsen，“在有损耗液体介质中的隐式电阻加载单极天线的表征”，国际期刊天线与传播的卷。2008年，文章编号580782，9页，2008年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
15. J. S.力通，电磁理论，John Wiley和Sons，霍博肯，NJ，USA，2007年。
16. G.郭柏，“单导体表面波传输线，”在无线电工程师学会论文集（IRE '51），第39卷，第619-624页，1951年。查看在：谷歌学术搜索
17. G. Kreifeldt，“表面检测肌电图的分析为振幅调制的噪声，”在国际医学与生物工程会议论文集，芝加哥，伊利诺伊州，美国，1989年。查看在：谷歌学术搜索
18. 阿特伍德，“表面波在涂层平面导体上的传播”，应用物理学杂志卷。22，没有。4，第504-509，1951。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
19. j。r。等等，“关于地面波和地面波的一个注意事项，”天线和传播的IEEE事务，第13卷第1期6，第996-997，1965。查看在：谷歌学术搜索
20. 等，“电磁波传播的古今历史”，IEEE天线和传播杂志，第40卷，no。5, 1998年第7-24页。查看在：谷歌学术搜索
21. C. W. Harrison和D. C.张，“基于二元环状槽天线的理论”IEEE交易对电磁兼容性，第13卷第1期1, 1971年8-14页。查看在：谷歌学术搜索
22. 布莱克汉姆和波拉德，“使用同轴探针测量介电常数的改进技术，”IEEE交易的仪表与测量，第46卷，no。5，页1093-1099,1997。查看在：谷歌学术搜索
23. 李建新，“电磁特性测量实验室之介电特性测量”，国立台湾大学物理系所硕士论文，国立中央大学物理系所，民国八十三年。查看在：谷歌学术搜索

版权

Paul M. Meaney等人版权所有这是一篇开放获取的文章知识共享署名许可，其允许在任何介质无限制地使用，分发和再现时，所提供的原始工作正确的引用。