CC BY
140
УДК 621.396
Н.С. Тархов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-52, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
И.В. Трохина, (4872) 35-05-52, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ) АНТЕННЫ-АППЛИКАТОРЫ ДЛЯ РАДИОТЕРМОМЕТРИИ
Рассмотрены вопросы разработки вариантов антенн-аппликаторов для
РТМ.
Ключевые слова: радиотермометрия, антенны-аппликаторы, неинвазивные методы измерения температуры, волновод, коаксиальный кабель, диэлектрическая пластина.
Радиотермометрия (РТМ) - новый современный метод ранней диагностики злокачественных образований в различных органах организма человека, осуществляемый посредством использования специальных антенн-аппликаторов, прикладываемых к биообъекту. РТМ-метод успешно применяется в различных областях медицины: неврологии и нейрохирургии, кардиологии, гастроэнтерологии, травматологии и ортопедия, диагностике ЛОР-заболеваний, эндокринологии, гинекологии. Особые перспективы РТМ имеет в онкологии, для ранней диагностики рака молочной железы. РТМ-метод относится к числу новых, неинвазивных методов медицинской диагностики.
Температура - самое универсальное отражение жизнедеятельности человека. Отклонения от нормы температуры тканей биологического объекта проявляется часто на ранних стадиях заболевания, когда изменения структуры или плотности тканей слабо выражены и не могут быть обнаружены другими методами. Прием теплового излучения внутренних тканей проводится контактным способом с помощью антенн-аппликаторов, устанавливаемых на поверхность кожи в зоне проекции исследуемого органа или его части.
При использовании аппликационной методики открывается возможность определения интенсивности собственного теплового излучения биологического объекта с точностью значительно большей, чем в дистанционной методике. Для этого необходимо знать значения температуры входных шумов радиометра и интегрального коэффициента отражения по мощности на границе антенна - объект, или иметь их постоянными. Так как рассеянием волн на границе антенна - объект и излучением антенны -аппликатора в свободное пространство можно пренебречь, то измерение величины интегрального коэффициента отражения можно произвести с достаточно высокой точностью.
Аппликационная методика позволяет также осуществить определение температуры объекта без измерения интегрального коэффициента отражения. Это можно реализовать, если искусственно сделать так, чтобы интенсивности двух потоков, действующих в системе объект - антенна и
радиометр, стали равны между собой. При этом создается термодинамическое равновесие в системе, которое может быть зарегистрировано в виде нуля напряжения на выходе синхронного детектора модуляционного радиометра. Процедура измерения интегральной температуры сводится к достижению термодинамического равновесия. Это осуществляется путем изменения мощности эталонного калиброванного генератора шума до нулевого значения напряжения на выходе синхронного детектора.
Измерение интегральной температуры можно осуществить с достаточной точностью, если измеряемая температура не равна температуре термодинамического равновесия, но в этом случае необходимо знать коэффициент отражения в системе антенна - объект. Чем дальше располагается значение измеряемой температуры от температуры термодинамического равновесия, тем с большей точностью требуется знать величину коэффициента отражения.
Аппликационная методика позволяет в процессе приема собственного теплового излучения биообъекта измерять значение интегрального коэффициента отражения в системе антенна - объект с требуемой точностью. Например, путем модулирования мощности генератора шума, которая подается на вход радиометра.
В процессе измерения пространственного распределения интенсивности собственного теплового излучения биологического объекта, рабочую поверхность антенны плотно прикладывают поочередно к исследуемым точкам поверхности объекта. При этом может быть получены температуры либо в виде карт, либо только для интересующих и наиболее информативных областей объекта, что иногда значительно сокращает весь процесс измерения и последующий анализ результатов.
В отличие от дистанционных измерений в контактных измерениях интенсивность радиотеплового излучения биологического объекта может быть измерена как на поверхности объекта, так и внутри естественных полостей биологического объекта.
Для контактных измерений используют специально разработанные антенны-аппликаторы, которые могут иметь очень разнообразную структуру излучателя и конструкцию. Например, могут быть выполнены в виде открытого конца волновода или на основе кольцевых, вибраторных и других разнообразных микро полосковых структур. Обычно размеры апертуры антенн - аппликаторов в несколько раз меньше половины длины волны в свободном пространстве. Часто в конструкции антенн-аппликаторов используют диэлектрическое заполнение, что позволяет значительно улучшить согласование со средой и уменьшить линейные размеры апертуры антенны - аппликатора до величины порядка половины длины волны в среде биологического объекта. Малый размер апертуры антенны-аппликатора обеспечивает хорошую, в несколько квадратных сантиметров, разрешающую способность даже на рабочих частотах порядка 1 ГГц.
Таким образом, контактная методика измерения позволяет использовать достаточно низкие рабочие частоты и, следовательно, принимать мощность радиотеплового излучения достаточно глубоко лежащих тканей.
Основные результаты сравнительного анализа дистанционного и аппликационного принципов измерения представлены в [1].
В теории антенн [2] все свободное полупространство, расположенное перед раскрывом антенны, принято условно делить на три зоны -ближнюю, Френеля и Фраунгофера. Такое деление на зоны не только значительно облегчает приближенное решение электродинамической задачи о поле антенны, но и дает достаточно ясную картину структуры полей в этих зонах. Прием мощности радиотеплового излучения антенной-аппликатором осуществляется сразу из всех трех зон.
Синтез антенны-аппликатора с заданными характеристиками в значительной степени усложняется наличием вариаций вещественной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости неоднородной среды, сильной взаимозависимостью большинства параметров между собой и свойствами среды. Вещественная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости среды особенно в ближней зоне оказывают наиболее сильное воздействие на основные характеристики антенны-аппликатора, так как здесь сосредоточены наибольшие напряженности электрического и магнитного полей. Для получения большой глубины приема радиотеплового излучения среды необходимо сформировать излучателем или системой излучателей плоскую или сфокусированную вогнутую волну. Это можно сделать только путем увеличения раскрыва апертуры антенны, что приведет к ухудшению разрешающей способности по поверхности и снижению помехозащищенности.
Для хорошей помехозащищенности антенны-аппликатора размер апертуры антенны должен быть много меньше четверти длины волны в воздухе. Важным фактором защиты от помех всей радиометрической системы и обеспечения ее работы без специальных экранированных помещений является правильный выбор рабочей частоты. При уменьшении рабочей частоты увеличивается глубина приема излучения, но уменьшается разрешающая способность.
Антенну-аппликатор можно условно представить в виде излучателя, распределителя и согласующего устройства. Такое представление чисто условное, так как часто одни и те же элементы конструкции могут выполнять сразу несколько функций.
Согласующее устройство предназначено для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне во всей рабочей полосе частот.
Распределитель антенны представляет собой конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для получения необходимого за-
кона распределения излучающего тока в пределах антенны, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности, или при приеме обеспечивает заданную характеристику фильтрации пространственного спектра волн.
Излучающая система представляет собой область пространства, заполненную токами, которые возбуждают электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлической поверхности, так и эквивалентные фиктивные электрические и «магнитные» токи на замкнутых поверхностях окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризаций в объемах, занимаемых диэлектриками и магнитодиэлектриками.
На рис. 1 приведена конструкция антенны-аппликатора на основе круглого волновода, заполненного диэлектриком.
Рис. 1. Антенна-аппликатор на основе круглого волновода, заполненного диэлектриком: 1 - волновод; 2 - диэлектрик; 3 - система возбуждения;
4 - диэлектрическая пластина; 5 - зазор; 6 - коаксиальный кабель
Антенна-аппликатор на основе круглого волновода, представленная на рис. 1, содержит отрезок круглого волновода 1, частично заполненный диэлектриком 2, систему возбуждения 3 электромагнитных волн в виде штыря. На открытом торцевом конце отрезка волновода, контактирующего с биологическим объектом, расположена диэлектрическая пластина 4 с воздушным зазором 5 между диэлектриком и диэлектрической пластиной. Зазор может быть заполнен не воздухом, а другим диэлектрическим материалом с низкой теплопроводностью и низкой диэлектрической проницаемостью. Коаксиальный кабель 6, соединяющий систему возбуждения с радиотермометром, проходит через боковую стенку волновода.
Электромагнитная энергия, поступающая от биологического объекта через диэлектрическую пластину и воздушный зазор на открытом торцевом конце, поступает в волновод, заполненный диэлектриком. Затем электромагнитное поле поступает в систему возбуждения и далее через коаксиальный кабель на вход приемной системы радиотермометра.
Зазор между диэлектриком, заполняющим волновод и диэлектрической пластиной, заполненный воздухом или другим диэлектрическим материалом, выполняет несколько функций:
1) снижает уровень продольной компоненты электрического поля в апертуре антенны и тем самым увеличивает глубину измерения радиотермометра;
2) снижает влияние температуры антенны на результаты измерения. Без использования специальных схем подогрева аппликатора его температура перед началом измерений близка к температуре окружающей среды. Температура кожи пациента, как правило, на 5... 15 °С выше температуры окружающей среды. Процесс диагностики, как правило, состоит в измерении внутренней температуры более чем в 20 точках пациента и занимает несколько минут. За это время аппликатор, находясь в тепловом контакте с кожей пациента, постепенно нагревается, и его влияние на температуру кожи пациента снижается. Таким образом, погрешность измерения меняется в процессе измерения.
На рис. 2 представлена антенна-аппликатор, имеющая жесткий металлический корпус, излучатель, структура металлических проводников которого нанесена на керамический диск.
Рис. 2. Антенна-аппликатор на керамической подложке: 1 - СВЧразъем; 2 - корпус; 3 - диск из СВЧ керамики со структурой проводников
Хорошая помехозащищенность будет обеспечена при малых размерах рабочей поверхности аппликатора. Толщина подложки может составлять десятые доли длины волны в среде, что часто достаточно, чтобы стабилизировать реактивное электрическое поле в непосредственной близости от проводников излучателя, где напряженность этого поля имеет максимальное значение.
Возможные изменения электрических свойств среды и эффекты неидеального контакта поверхности антенны-аппликатора со средой мало изменяют структуру возбуждающих токов излучателя. Уменьшая напряженность электрического поля в ближней зоне антенны, подложка с большой диэлектрической проницаемостью уменьшает отношение модулей
векторов Е/Н реактивного поля ближней зоны и несколько приближает тип антенны по характеру поля к антеннам магнитного типа [3]. Антенны-аппликаторы электрического типа будут обладать меньшей глубиной приема излучения, чем антенны магнитного типа. Антенны магнитного типа обычно имеют очень низкий импеданс излучателя, что вызывает существенные трудности при создании антенны-аппликатора.
Некоторые возможные структуры топологии излучателя со спектром волн, обеспечивающим глубинный прием радиотеплового излучения среды [4], имеют вид, изображенный на рис. 3.
В таких структурах возбуждаемые электрические и «магнитные» токи обычно не имеют быстрых и частых перемен полярности по рабочей поверхности излучателя, что обеспечивает мало изрезанную, плавную спектральную характеристику по пространственным волнам. Возбуждение таких структур может быть как симметричными линиями, так и коаксиальными.
Прием радиотеплового излучения среды с меньшей глубины может быть получен антенной - аппликатором, имеющим изрезанную характеристику фильтра пространственных волн или обеспечивающую прием излучения преимущественно из боковых направлений. Некоторые топологии структур излучателей для приема радиотеплового излучения с малой глубины представлены на рис. 4. В этих структурах обычно распределение токов возбуждения имеет меньшую плавность по рабочей поверхности излучателя и возможны частые чередования их полярностей. Возбуждение этих структур может осуществляться коаксиальной линией.
Рис. 3. Топология излучателей глубинного зондирования
Рис. 4. Топология излучателей поверхностного зондирования
На рис. 5 приведены основные размеры, необходимые при расчете.
Рис. 5. Антенна-аппликатор на основе круглого волновода, заполненного диэлектриком
Центральная частота
/ = 2,5 • 109 Гц.
Длина волны определяется по формуле
А = -, (1)
/
о
где с = 3-10 м/с - скорость света.
3 • 108 м/с
А = -;;- = 0,12 М
2,5 • 109 Гц
Пространственная частота (волновое число)
к=21=2:314=52,3.
А 0,12
Предельные частоты определяются по следующим формулам:
/тт = /= 2,5-109ГЦ - 2-5-109ГЦ • 15% = 2,312-109ГЦ ■ (2) т1П / 100 2 , Ц 100 2 , Ц' (2)
/ А/ 2,5-109 Гц 15%
/ = / + ^---^ = 2,5-109Гц -^--= 2,687 -109Гц (3)
Jмa J 100 2 100 2 (3)
Динамический диапазон А/ = 15 % - логарифм отношения уровня сигнала на входе антенны к ее чувствительности.
Типичным недостатком диэлектрической антенны являются потери в диэлектрике, что является причиной уменьшения КПД и появления амплитудных искажений. Поэтому нужно использовать диэлектрик с малым тангенсом угла потерь на рабочей частоте.
Таким требованием удовлетворяет Фторопласт-4. Комплекс физико-химических свойств делает этот материал незаменимым в медико-биологической практике, в том числе и в случаях обширных и длительных контактов с тканями и средами внутренних органов живого организма[5].
Волновод - это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, также точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает [6].
В волноводах с идеально проводящими стенками и однородным заполнением могут распространяться волны электрического типа Е, у которых Н2 = 0, а е2 ф 0 (направление оси z совпадает с продольной осью волновода), и волны магнитного типа Н, у которых еъ = 0, а Н2 ф 0.
Низшей среди волн электрического типа в круглом волноводе является волнаЕ01, ближайшим высшим типом — волна Еп .Основным типом волны в круглом волноводе, имеющим наибольшую критическую длину, является волна нц. Из других волн магнитного типа в круглом волноводе часто используют волну Н 01.
Критическая длина волны - это наибольшая длина волны, которая может распространяться в волноводе для данного типа колебаний.
Основным, или низшим, типом волны называется такой тип волны, который обладает наибольшей критической длиной волны при данных размерах волновода.
Критические длины волн Лкр для круглых волноводов могут быть
определены по формулам:
для волн типа Е
тп
2ла
^р =-, (4)
Р ^тп
где а - радиус волновода, м; гтп - значения корней функций Бесселя; m -порядок функции Бесселя; п - номер нуля первой производной функции Бесселя m-го порядка;
для волн типа Н тп
Кр = —-, (5)
^тп
где /итп - значения корней производных функций Бесселя.
Диаметр круглого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем мог распространяться основной тип волны Н11, в то же время высшие типы волн, возникающие в системе возбуждения, были запредельными и не могли распространяться в волноводе. Это снижает уровень продольной компоненты поля в апертуре антенны. Вектор Пойтинга для продольной
компоненты поля [7] направлен вдоль кожи пациента, таким образом, энергия, связанная с этой компонентой поля, не распространяется в глубь тела, а распространяется вдоль поверхности кожи.
Для снижения уровня продольной компоненты поля в апертуре антенны необходимо увеличивать длину запредельного волновода, что приводит к увеличению габаритов аппликатора. Воздушный зазор между диэлектрической пластиной и диэлектриком, заполняющим волновод, обеспечивает дополнительную фильтрацию высших типов волн и тем самым увеличивает глубину измерения радиотермометра [4].
Выберем круглый волновод с внутренним диаметром 83,62 мм [9]. Используя средства программы Мathcad, можно построить графики критических длин волн для Нтп и Етп .
Каждый конкретный тип волны в волноводе может распространяться в том случае, если
Л<ЛКр, (6)
Следовательно, в волноводе будет возбуждаться только основная волна Нп.
Рассчитаем длину волновода. Длина волновода L (рис. 5) от вибратора до раскрытия круглого волновода выбирается так, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода [2]. Ослабление амплитуд Атп, ближайших к основной волне высших типов волн, рассчитаем по формуле
Атп[дб ] = 8.686 а-тп Ь, (7)
где атп = (Ад / )2 -1 - коэффициент затухания волн высших /2-1
типов; кд =- - волновое число в диэлектрике; Ад - длина волны в диАд
электрике; величина ослабления Атп должна быть более 40 дб. Длина волны в диэлектрике определяется по формуле
АД =ТГ ТТс • (8)
3-108 м / с А =-;= = 0,086 м
д 2,5-109 Гц-л/2 '
Условие Ад < А^р выполняется, следовательно, расчет выполнен
Определив Ад, найдем коэффициент затухания волн высших типов:
2 - 314 I-о—
а11 =-,— д/(0,086м/0,143м)2 -1 = ]58.
0,086м
Следовательно, длина волновода от вибратора до его раскрыва
верно.
А 50
Ь =-т— =-* 0,1 м
8,686 ап 503 '
Величина ослабления ближайших к основной волне высших типов волн Атп = 50 дб.
Эффективность возбуждения антенны характеризуется отношением величины мощности, переносимой волной Н11 к полной мощности, подводимой к антенне. Эффективность возбуждения во многом зависит от выбора типа возбудителя. Исследования показывают, что наиболее эффективными возбудителями волны Н11 являются штыревой вибратор и линейная щель, прорезанная в торцевой стенке круглого волновода. Для щели характерна зависимость эффективности возбуждения от замедления волны. Этого недостатка лишен штыревой вибратор, который обеспечивает более устойчивое возбуждение.
При длине волны Х>8 см распространение получила конструкция возбуждения, представленная на рис. 5. Вибратор является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, питающей антенну. Размеры и положение вибратора в круглом волноводе выбираются так, чтобы отражения, вызываемые его входным сопротивлением 7вх в питающей коаксиальной линии в рабочем диапазоне частот, были достаточно малыми. Это обеспечивает минимальные потери в коаксиальной линии, увеличивает ее электрическую прочность и облегчает согласование антенны с генератором или приемником.
Согласование 7вх с питающей коаксиальной линией осуществляется изменением длины вибратора L0 при Ъ = Лв /4.
Длина волны в волноводе может быть определена по формуле
Кв = I Д 2 . (9)
V1 " (КД / Ккр )
Длина волны в волноводе
0,086м
К = I = 0,108 м
VI - (0,086м /0,143м)2
В соответствии с изложенными рекомендациями [3] выбираем расположение штыря (рис. 5):
Ъ = 4 = ОД08 = 0,027 м Ь0 =К = = 0,03 м 4 4 '44
Изменение положения вибратора в круглом волноводе нерационально, так как ведет к значительному искажению поля основной волны и появлению интенсивных волн высших типов, ухудшающих диапазонные свойства волноводно-коаксиального перехода.
Коаксиальная линия передачи («коаксиальный кабель») представляет собой два металлических проводника цилиндрической формы, расположенных один внутри другого так, что их оси совпадают. Пространство между ними заполнено изолирующим диэлектриком. Внешний проводник
окружен непроводящей оболочкой, обеспечивающей защиту от воздействия окружающей среды.
Выберем тип питающей линии коаксиальной с волновым сопротивлением 50 Ом.
РК - 50-11-11 - радиочастотный коаксиальный кабель с номинальным волновым сопротивлением 50 Ом, с номинальным диаметром по изоляции 11 мм.
Конструктивные и электрические данные выбираем из справочных данных [9].
Выбранный тип коаксиального кабеля удовлетворяет заданным требованиям.
Таким образом, разработанный вариант антенны-аппликатора может быть использован для измерения глубинной температуры в диапазоне 32...38 °С при времени измерения 1...20 секунд в одной точке. Погрешность измерений при этом составляет ± 0,2 °С.
Список литературы
1. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.В. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1972. 416 с.
2. Антенны и устройства СВЧ / под ред. Д.И. Воскресенского М.: Советское радио, 1972. 320 с.
3. Антенны и устройства СВЧ / под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е доп. и перераб. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.
4. Поляков В.М., Шмаленюк А.С. СВЧ - термография и перспективы ее развития // Прим. в мед. и нар. хоз. Обз. по электр. техн. Сер.1. Электр. СВЧ. 1998. Вып. 8, 158 с.
5. Вихров С.П., Холомина Т.А., Бегун П.И. Биомедицинское материаловедение: учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия. Телеком, 2006. 383 с.
6. Веселов Г.И., Раевский С.Б. Слоистые металло-диэлектрические волноводы. М.: Радио и связь, 1988. 248 с.
7. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: учебник для радио-технич. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.
8. Справочник конструктора РЭА: компоненты, механизмы, надежность / под ред. Р.Г. Варламова. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
N.S. Tarhov, I.V. Trohina
ANTENNA-APPLICATORS FOR RADIOTHERMOMETRY
The problems of developing options for antenna-applicators for radiothermometry is considered.
Key words: radiometry, antenna applicators, non-invasive temperature measurement, waveguide, coaxial cable, dielectric plate.
Получено 17.10.12
