Ανάλυση και ανάπτυξη κεραιών για μικροκυματικές και THz βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

Various biomedical applications regarding diagnostic and therapeutic medicine are based on different properties of electromagnetic radiation, at a variety of frequency ranges such as microwaves and THz waves. Microwave imaging offers the possibility to spatially detect differences in the dielectric properties of biological tissues. THz radiation, while interacting with large biomolecules and proteins, produces a characteristic spectral response, or “fingerprint”. Consequently, the future clinical application of the aforementioned techniques requires developing effective antennas.In the framework of the present PhD Thesis, planar antennas suitable for biomedical applications are designed and measured. Specifically, regarding the microwave spectrum, two prototype uniplanar antennas are designed for microwave breast and brain imaging. Moreover, THz planar antennas with enhanced gain and directivity, in order to be used in THz spectroscopy of biomolecules, are presented.The uniplanar antennas, introducing a design of overlapping ellipses, operate at various frequencies over a wide spectrum from1 GHz to 9 GHz. The design and construction techniques used herein ensure preservation of antenna small dimensions, even while operating at the lower part of the selected frequency ranges. Both antennas are studied while radiating a breast and brain model including the use of a liquid matching medium to minimize reflections in both cases. In parallel, a metamaterial layer is designed to couple the radiation from the antenna to the breast phantom. Finally, three-overlapping-ellipse uniplanar antenna is studied in phantom experiments that exhibit its suitability for effective microwave imaging. At the THz frequency regime, bow-tie and rectangular planar antennas over a substrate with a printed split-ring resonators array are studied. The innovation of the presented antennas lies on the utilization of SRRs (metamaterial) substrate that improves antennas’ properties within the frequency band from 900 GHz to 1100 GHz. Various designs for the SRRs array are developed and examined as antenna substrates. The beneficial effect that the SRRs substrate has on the antenna performance is validated by scale measurements of the rectangular planar antennas on single SRRs at microwave frequencies.

Πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές που σχετίζονται με τη διαγνωστική και θεραπευτική ιατρική βασίζονται στην εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαφόρων συχνοτήτων, όπως είναι τα μικροκύματα και η THz ακτινοβολία. H μικροκυματική ακτινοβολία προσφέρει τη δυνατότητα απεικόνισης των βιολογικών ιστών μέσω του χαρακτηρισμού των διηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα THz συχνοτήτων όταν αλληλεπιδρούν με μεγάλα βιομόρια και πρωτεΐνες δημιουργείται μία χαρακτηριστική φασματική απόκριση, «αποτύπωμα», που επιτρέπει την ταυτοποίησή τους. Συνεπώς, η ανάπτυξη κατάλληλων κεραιών αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για τη μελλοντική κλινική εφαρμογή των τεχνικών αυτών. Σε αυτό το πλαίσιο, το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η σχεδίαση, ανάπτυξη και μέτρηση επίπεδων κεραιών για βιοϊατρικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, όσων αφορά το μικροκυματικό φάσμα συχνοτήτων, αναπτύσσονται πρωτότυπες ομοεπίπεδες κεραίες για απεικόνιση μαστού και εγκεφάλου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται THz επίπεδες κεραίες με ενισχυμένο κέρδος και κατευθυντικότητα για φασματοσκοπία βιομορίων. Η σχεδίαση των ομοεπίπεδων κεραιών, των οποίων η γεωμετρία προκύπτει από επικαλυπτόμενες ελλείψεις, βασίζεται σε τεχνικές που επιτρέπουν τη λειτουργία τους σε διάφορα διαστήματα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, 1 - 9 GHz, ενώ ταυτόχρονα διεγείρονται χαμηλές συχνότητες διατηρώντας το μικρό μέγεθος των κεραιών. Οι δύο κεραίες εξετάζονται κατά την ακτινοβόληση σε ομοιώμα μαστού και εγκεφάλου. Επιπλέον, αναπτύσσεται στρώμα ματαϋλικού, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό προσαρμογής μεταξύ των κεραιών και του ιστού. Τέλος, η μέτρηση της ομοεπίπεδης κεραίας από τρεις επικαλυπτόμενες ελλείψεις επαληθεύει την αποτελεσματικότητα της κεραίας για τη χρησιμοποίησή της στις πιο πάνω εφαρμογές.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, μελετώνται THz επίπεδες κεραίες, παπιγιόν και τετραγωνικές, σε υπόστρωμα από τυπωμένες μήτρες συντονιστών δακτυλίου με διάκενο (split-ring resonators, SRRs). Η καινοτομία των σχεδίων έγκειται στο υπόστρωμα μεταϋλικού, το οποίο βελτιώνει τα χαρακτηριστικά των κεραιών σε συχνότητες 900 – 1100 GHz. Για αυτό το σκοπό, εξετάζονται πρωτότυπα σχέδια για υποστρώματα με μήτρες από SRRs και η επίδρασή τους στις επίπεδες THz κεραίες. Για επιβεβαίωση των βασικών αρχών σχεδίασης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε κλίμακα της τετραγωνικής κεραίας σε υπόστρωμα με απλούς συντονιστές με διάκενο ενισχύοντας την υπόθεση ότι η χρήση του μεταϋλικού ενισχύει την απόδοση της κεραίας.