Directional wide band printed monopole antenna for use in microwave breast cancer imaging

Abstract

Meme kanseri kadınlarda en yaygın görülen kanser türüdür. Mamografi küçük meme lezyonlarının noninvaziv tekniklerle kanser tedavisini kolaylaştırır. Son zamanlarda, geleneksel cerrahiden daha yeni tedaviler bu talepleri karşılamak için araştırılmıştır. Meme kanseri tespiti için Mikrodalga görüntüleme teknolojisi günümüzde çok ilgi çekmiş. Mikrodalga görüntüleme ile meme kanseri tespiti için fiziksel temel, normal ve malign meme dokuların dielektrik özellikleri arasındaki farktır. Mikrodalga frekanslarında normal ve malign memenin dielektrik özelliklerin arasında önemli fark neden ile cevapsız-tespitler ve yanlış-pozitiflerin sayısı çok düşük sayılardır ve bu neden meme kanseri tespitinde bir mikrodalga görüntüleme tekniğinin geliştirilmesi için en önemi motivasyon sayılır. Tahmini malign-to-normal meme dokusu arasındaki kontrast normal doku yoğunluğuna bağlı olarak 2: 1 ve 10: 1 arasında. Başka bir avantaj olarak, mikrodalga görüntüleme tekniği sonucunda ilgili doku özellikleri bir üç boyutlu (3-D) hacimsel haritasında gosteriliyor. Ayrıca Mikrodalga meme kanseri görüntüleme noninvaziv ve hatta potansiyel olarak düşük maliyetli bir alternatiftir. Bahsedilen tüm nedenlerden dolayı, mikrodalga meme görüntüleme geleneksel meme kanseri tarama sistemleri kısıtlamaların bazılarının üstesinden gelmek için bir potansiyele sahiptir.Mikrodalga görüntüleme, tıbbi uygulamalara ilişkin literatürde çok geniş araştırmalara sahiptir. Topografik yöntemleri ve backscatter yöntemleri dielektrik özellikleri karşıtlıklarından faydalanarak aktif mikrodalga görüntüleme tekniklerinin iki farklı yöntem sayılır. Mikrodalga tomografi yönteminde amaç cismin tarafından yansıyan mikrodalga enerjinin ölçümleri ile bir cismin dielektrik-özellikleri profilin toplamaktır. Ancak, diğer tarafta, yer radarı durumunda olduğu gibi, backscatter yöntemlerde amaç ölçülen geri yansıyan sinyallerin kullanımı ile önemli mikrodalga dağıtıcıların yerlerini çıkarmaktır. Normal meme dokusu ve malign lezyonlar arasında, dielektrik özelliklerin önemli kontrast nedeni ile Saçılma yükselir.Son zamanlarda meme kanseri tespiti için başka bir yol önerilmiştir. Bu yöntem konfokal mikrodalga görüntüleme ve ingilizce olarak confocal microwave imaging (CMI) olarak adlandırılır. CMI meme tümörü saptama prosedürün yöntemi memeni bir fiziksel anten dizisi sistemi ile gönderilen ultra-geniş bant darbe ile aydınlatmak ve yansimaktir. Saçılan yerini belirlemek için kullanılan bilgi sağlamak amacıyla, saçılan sinyalinin nispi varış süreleri ve amplitüdleri, ilgili algoritmalar ile analiz edilir. Mikrodalga tomografi ile karşılaştırıldığında, CMI yöntemi dielektrik özellikleri profilini tamamen yeniden yapmak yerine yalnızca memede güçlü sikliklerin yerini tanımlamak istiyor.Kısaca Radar tabanlı mikrodalga meme görüntülemesinde, metodun prosedürü memeni ultra-geniş bantlı mikrodalga darbe ile aydınlatmak ve dolayısıyla yansımaları tespit etmektir. Daha sonra dokudan geri yansıyan dalgalar memede tümörün yerini tespit eden ve gösteren görüntüler e oluşturmak için kullanır. Bu sistemlerin önemli bir bölümü ultra-geniş bant sinyal yaymak ve almak için kullanılan antendir. Hem giriş empedans uydurma açısından ve hem radyasyon desen istenen bant genişliği üzerinde, antenin bu uygulamalarda kullanmak için, iyi performans göstermesi gerekir.Antenin yüksek çözünürlükte elde etmek için antenin direktivitesi en önemli özelliklerinden biridir. Antenin Yarı Güç Işın Genişliği, ingilizce Half Power Beam Width (HPBW) küçük ayrıntıları tespit etmek için yeterince küçük olmalıdır. Diğer yandan, antenin fiziksel montaj karmaşıklığını azaltmak için ve aynı zamanda vücut ile iyi derecede konformluğunu elde etmek için kompakt bir anten tasarımı arzu edilir. Bu yüzden bu tür radar tabanlı mikrodalga göğüs kanseri görüntüleme gibi yüzey yakınındaki yakın alanda ölçüm uygulamalarında kullanım için antenin tasarım gereksinimleri aşağıdaki gibidir:?Kısa darbeleri iletmek için ultra-geniş bant yayılan sinyal.?Seçici aydınlatmak ve taramak için birkaç santimetre anten büyüklüğü.?Antenlerin görüş alanının çok geniş olma nedeni ile ortaya çıkan dağıtıcıların arasındaki bulaşmani önlemek için optimum bir yakın alanda yarım güç ışın genişliği (HPBW).?Ve nihayet tüm bant boyunca iyi bir empedans eşleştirmesi, bu mesele enerjinin böyük kısmının iletılmesini sağlar.Bir antenin HPBW ini azaltmak için antenin direktivitesini bir istenen yönde arttırmak şarttır. Darbeli radar teknikleri kullanılarak doku algılama uygulamalarında çeşitli farklı antenler araştırma grupları tarafından kabul edilmiştir. Bu tür antenlerin tipik örnekleri vivaldi, bowtie, slotline bowtie, horn ve mikroşerit antenler içerir. Günümüzde Ultra Wide band (UWB) uygulamalarında kullanmak için yönlü antenlere artan talepler vardır. Yönlü antenler ışımanı yakınsamak ile ışınım şiddetini istenilen yönde artırmak için, daha net, Yarı Güç Işın Genişliği (HPBW) optimize etmek için kullanılır. Radar sistemlerinde antenin HPBW i radar çözünürlüğünü belirleyen temel parametrelerden biridir, diğer bir deyişle, daha ince ayrıntıları daha dar bir ışın kullanılarak çözülebilir. Yönerge antenin diğer avantajları olarak, uzun bir mesafe örtmek amacıyla HPBW oldukca azaltmak gereklidir. Bir yönlü antenin ışını Body-Worn Cihazlarında, Wireless Body Area Network (WBAN) kullanmak için elektromanyetik radyasyonun etkilerini insan vücuduna azaltmak için arzu edilir. Bu halde, kullanımda olan geniş bantlı Planar Monopole gibi UWB antenlerin çoğu Omni Directional radyasyon deseni var.İlgi uygulama sağlıklı ve malign doku arasındaki dielektrik özelliklerinın farkını açıklayarak mikrodalga meme kanseri tespit edilmesidir. Farklı Yönlü Anten türleri vardır. Horn ya Vivaldi gibi antenlerde, antenin boyutu istenen bir doğrultuda büyük olması durumunda direktivite elde edilebilir. Mikrodalga meme görüntüleme için fiziksel ve radyasyon özelliklerine göre sınıflandırılabilen genellikle üç tip (dipol, slot ve monopole) Kompakt geniş bant yönlü antenler sunulmuştur. Diğer tipleri de, direktivite elde etmek amacıyla antende kavite ya da arkasında koruyucu ve ya emici malzeme kullanılır. Ancak bu gibi yaklaşımlar kullanılarak anten boyutu veya antenin verim azalması gibi üretim sürecinde bir komplikasyon ya arttırma neden olur. Ancak bu gibi yaklaşımlar kullanılarak antenın boyutu arttırma veya verim azalması gibi sorunlar ve üretim sürecinde bir komplikasyona neden olur. Radar tabanlı meme kanseri tespiti için 2-4 GHz frekansında çalışan kompakt bowtie anten veya 3.4-9.6 GHz frekansında çalışan geniş bantlı tek kutuplu anten yakın alanda mikrodalga görüntüleme için sunulmuştur. Geleneksel slot anten gibi bazı diğer yönlü antenler de sunulmuş, ancak bir dezavantaj olarak sınırlı bir çalışma frekans aralığı var. Diğer tarafta vivaldi tip antenler de iyi bir bant genişliği ve yönlü radyasyonları var. Özel tipte çember patchlı L-şekilli veya parabolik şeklınde ground sayfalı monopol mikroşerit antenler, mikrodalga görüntüleme sisteminde kullanılmak için sunulmuştur. Bu çalışmalarda ground sayfasının iyileştirmesini anten kazancı ve direktivitesinin performansını nasıl etkilediği ve optimize etmesini gösteriyor. Monopol mikroşerit antenler popüler ve fabrikasyon ve özellikleri ve küçük boyutu ve mikroşerit teknolojinin diğer avantajları kolaylığı nedeni ile.Bizim çalışmalar için parabolik şeklinde yansıtıcı ground sayfalı monopol türü mikroşerit anten göz önüne alınmıştır.Bu Tez bu uygulama için modifiye tasarım olarak, gerekli geniş bant üzerinden çalışabilen bir parabolik şeklinde yansıtıcı ground sayfalı yönlü monopol anten sunuyor. Bu çalışmada, ground sayfasının antenin istenen yönsel özellikleri elde etmek üzerinde etkisi gösterdiği ve artırıldı.Bu tezin amacı, özellikle mikrodalga meme kanseri görüntüleme gibi yakın yüzey ve yakın alanda ölçüm uygulamalarında , kullanımı uygun yeni bir modifiye anten yapısı tasarlamaktır. Antenin Ground Sayfasi ekseni substrat diyagonalının yönü boyunca uzatılmış simetrik bir parabolik eğriden oluşur. Direktivite, ground sayfanın parabolünün eksenini substratin çaprazında yönlendirmek ile, daha sonra ground sayfasında parabolik yuvaları ekleyerek iyileştirilmiştir. Ground düzlem içinde parabolün eksenini, kare substrat diyagonalın yönü boyunca uzatmak ile ground sayfasının yeteneğine doğru ve simetrik bir yansıtıcı olarak artıyor. Ayrıca ground sayfasında yuva ekleyerek oluşturulan ikinci kenarlar kazanç ve direktivite artmasına neden olup ek bir reflektör gibi davranır.Sunulan düzlemsel anten 50 ? mikrostrip-beslemeli bir disk-monopoldan oluşur. Tercih edilen bant genişliğinde antenin kazanç ve büyüklüğü arasında bir trade-off korumak için, ?r = 4.4 dielektrik sabiti olan 50 mm boyutlarında kare FR4 taban üzerinde tasarlanmıştır. Dielektrik ve iletken tabakaların kalınlıkları, sırasıyla, 1.6 milimetre ve 35 mikrometredir. Hem simülasyonları ve hem ölçümleri önerilen antenin Frekansa karşı stabil bir ışıma olduğunu onaylandırır. Antenin empedans bantı 4-9 GHz frekans aralığı kapsıyor. Ölçülen HPBW aynı frekans aralığında 54-22 derece arasındadır. Önceki monopoller ile kıyasladığında 4-9GHz bir frekans aralığında, 5-15 derece direktivite ve 1.1-3.1 dBi kazanç iyileştirildiği teyit edilir. Anten kazancı 8 GHz frekansında 10 dBi kaldırdı. Antenin ışıma yönü 5-9 GHz arasında, Phi = 130 ? ve Phi = 151? arasında değişiyor, Ve bu mesele frekansa karşı iyi bir ışın kararlılığını gösteriyor. HPBW azalma nedeni ile antenin ve neticeten radar sisteminin çözünürlük parametresi artıyor. Ornek olarak 8.5 GHz te HPBW 38 dereceden 23 dereceye azalıyor, HPBW 40 % iyileşmesini gosteriyor.Ek bir çalışma olarak, mikroşerit teknolojisinde başka bir yeni kompakt yönlü monopol anten de sunulmuştur. Bu antenin boyutları oldukça geleneksel yönlü antenler ile karşılaştırıldığında küçülmüştür. Bu antenin kazancı istenilen frekanslarda 5 dBi kadar artırılmıştır. Antenin yansıtma katsayısı bant genişliği 5-9 GHz arasındaki frekansları kapsar. Küçültülmüş boyut ve antenin iyi yönlü karakteristiği, mikrodalga görüntüleme sistemleri ve radar uygulamalarında kullanmak için uygundur.

Breast cancer is the most common cancer in women. Detection of small breast lesions by mammography screening facilitates the cancer treatment by noninvasive techniques. Recently, new therapies than traditional surgery have been explored to satisfy these demands. The physical basis for breast cancer detection with microwave imaging is the difference in dielectric properties of normal and malignant breast tissues. Microwave imaging involves illuminating the breast with an ultra-wideband pulse from a number of antenna locations, then synthetically focusing reflections from the breast. The detection of malignant tumors is achieved by the coherent addition of returns from these strongly scattering objects.Radar-based microwave imaging techniques have been proposed for early stage breast cancer detection. Radar-based microwave breast imaging approaches involve illuminating the breast with an ultra-wideband pulse of microwaves and detecting reflections. The reflections are then processed to create images that indicate the presence and location of tumors in the breast. A key component of these systems is the antenna that is used to radiate and receive the ultra-wideband pulses. So the antenna design requirements for use in near field near surface measurement applications, such as radar-based microwave breast cancer imaging are as follows: radiation of ultra-wideband signal to transmit short pulses, size of the antenna on the order of a few centimeters to selectively illuminate and permit scanning, an optimum half power near-field beam width( HPBW) to avoid smearing of the scatterers that occurs if the field of view of each antenna is too broad, and finally a good impedance matching across the entire band, This ensures that most of the energy is transmitted. In order to decrease the HPBW of an antenna we have to increase the directivity of the antenna in a desired direction. Nevertheless, most of the wide band and UWB antennas like planar monopoles, which are in use, have almost Omni-Directional radiation pattern.Directivity can be achieved if the antenna is large in a desired direction, such as Horn or Vivaldi antennas. Printed disc monopole antennas with an L-shaped or parabolic-shaped ground plane are introduced as another type of directional antennas. In these antennas it has been shown how partial ground optimization influences the antenna?s performance, in maximizing the directivity and gain of the antenna. These kinds of directional antennas are similar to the UWB type Omni-Directional monopole antennas, where it is shown the effect of ground plane on obtaining the desired directional characteristics of the antenna.This Thesis presents a new design of directional wide band monopole antenna with parabolic-shaped ground plane. Ground plane of the antenna consists of a symmetrical parabolic curve, which its axis extended along the direction of the substrate?s diagonal. In order to accomplish high gain and directivity, axis of parabola in the ground plane is extended throughout the direction of square substrate?s diagonal that maximizes the capability of symmetrical ground plane as a reflector. The directivity of the antenna is further improved by inserting parabolic-shaped slots at the corners of ground plane. The second edge of the ground plane which is created by inserting the slots, behaves as an additional reflector which cause to increase in the gain and directivity.Then, the presented planar antenna is composed of a disc-monopole fed by a 50? microstrip line printed on a FR4 substrate. Simulation and measurements show that the proposed antenna has stable directional radiation pattern and higher gain compared to the previous directional monopole antennas. Impedance bandwidth of the antenna covers the frequency range of 4-9 GHz. Measured HPBW is among the degrees 54-22 in the same range of frequencies. In comparison with conventional antennas with a similar structure, gain of the antenna is improved between 1.1 and 3.1 dBi among 4-9 GHz. HPBW of the antenna is also between 5 and 15 degrees through the bandwidth .Results confirm the good characteristics for use in radar and microwave Breast cancer imaging applications where high resolution is required. For example, at 8.5 GHz, measured HPBW of the antenna is decreased from 38 degrees to 23 degrees (mentioned in the result section), which confirms a 40 % decrease in HPBW of the antenna (simulated HPBW is 26 = 33 % improvement). That is very important in order to increase the resolution of a radar system.As an additional attempt, another novel compact directional monopole antenna in microstrip technology is also presented. Dimensions of this antenna are considerably miniaturized in comparison with conventional directional antennas. The main effort is to convert an Omni-directional radiation pattern of a compact monopole antenna to the desired directional radiation pattern, by using a novel ground plane, and a parasitic element. The ground plane and parasitic element are accurately designed in a way that make the surface currents of radiating elements to move toward the desired direction, which increase the radiation density in the preferred direction and also decrease the radiation intensity in the opposite sides. Simulations confirm a good directional characteristic of the antenna at the frequencies between 5 and 9 GHz. Gain of the antenna is increased over 5 dBi at the desired frequencies. Reflection coefficient bandwidth of the antenna covers the frequencies among 5-9 GHz. Miniaturized size and an acceptable directional characteristic of the antenna make it possible to use it in the microwave imaging systems and radar applications.