Конструкторско-технологическое обеспечение создания модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Чижиков Сергей Владимирович

• Чижиков Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Чижиков Сергей Владимирович

сокращений

Введение

Глава 1. Обоснование актуальности проблемы конструкторско-технологическое обеспечения производства модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа

1.1. Анализ современного состояния и тенденции развития метода микроволновой радиометрии

1.2. Анализ требований к техническим параметрам медицинских микроволновых радиотермометров

1.3. Анализ конструкции СВЧ-приемника

1.4. Выводы по главе

Глава 2. Разработка модуля СВЧ-приемника

2.1. Разработка основных элементов модуля СВЧ приемника

2.1.1. Моделирование конструкции гетероструктурного транзистора

2.1.2. Разработка МИС МШУ

2.1.3. Разработка МИС переключателя

2.1.4. Разработка фильтра

2.2. Разработка макета модуля СВЧ-приемника

2.3. Выводы по главе

Глава 3. Разработка методик, обеспечивающих проведение радиометрических измерений

3.1. Разработка методов внешней и внутренней калибровки

Стр.

3.1.1. Калибровка разработанного многоканального многочастотного радиотермографа

3.1.2. Методика повышения точности измерения за счет применения имитатора биологического объекта

3.2. Алгоритм подавления помех при проведении радиометрических измерений

3.3. Выводы по главе

Глава 4. Разработка технологического стенда для проведения радиометрических измерений

4.1. Разработка помехозащищенной антенны-аппликатора

4.2. Разработка алгоритма визуализации радиометрических данных

4.3. Разработка технологического стенда для проведения радиометрических измерений

4.4. Практическое применение результатов диссертации

4.4.1. Практическое применение в медицинской технике

4.4.2. Практическое применение в сельском хозяйстве и мелиорации

4.5 Выводы по главе

Основные выводы и заключение

Список использованных источников

Приложение

Перечень сокращений

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ГИС - гибридная интегральная схема

КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения

МИС - монолитная интегральная схема

МР - метод радиометрии

МШУ - малошумящий усилитель

РТМ-метод - метод радиотермометрии

ППФ - полосно-пропускающий фильтр

СВЧ - сверхвысокочастотный

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструкторско-технологическое обеспечение создания модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа»

Актуальность работы

Технология радиометрии находит применение в медицине для проведения ранней диагностики патологий внутри тела человека, в сельском хозяйстве для определения температуры и влажности почвы и мелиорации. Метод позволяет дистанционно получать информацию о температуре как на поверхности, так и в глубине объекта.

Широкому использованию метода радиометрии препятствует малый уровень принимаемых сигналов в условиях наличия помех от сторонних источников и наличия собственных шумов приемника. В конечном счете это приводит к снижению точности измерения как самой измеряемой температуры источника, так и точности определения его местоположения.

Наиболее жесткие требования к параметрам назначения предъявляются к медицинским радиометрам, а в связи с общностью конструкторско-технологических решений с радиометрами других назначений предложенные решения являются универсальными для радиометров в целом и позволяют гарантировать выполнение требований, предъявляемых к радиометрам других назначений.

Технологией одноканальной и одночастотной радиометрии занимались такие ученые как Гуляев Ю.В., Веснин С.Г., Гудков А.Г., Сидоров И.А. Леушин В.Ю., Шашурин В.Д., Тихомиров В.Г., Соловьев Ю.В., Королев А.В., Лосев А.Г., Новичихин Е.П., Z. Popovich, P. Momenroodaki, P. Maccarini, P. Stauffer, и другие отечественные и зарубежные ученые. Однако существующие одноканальные и одночастотные радиометры не позволяют измерить внутреннюю температуру с точностью 0,1 оС и определить местоположение источника повышения температуры до 1 мм. Решение обеспечения высокой точности может быть реализовано за счет увеличения количества каналов и рабочих частот, поэтому целесообразно разработать многоканальный многочастотный радиометр, который позволит обеспечить выполнение данных требований.

Работа посвящена созданию средств конструкторско-технологического обеспечения производства модуля сверхвысокочастотного (СВЧ) радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа, обеспечивающего высокую точность измерений температуры и местоположения источника повышения температуры при высоких требованиях по динамическому диапазону, помехозащищенности, малому шуму и энергопотреблению, что будет сделано впервые в мировой практике. Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка средств конструкторско-технологического обеспечения создания модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа для измерения радиояркостной температуры в глубине исследуемого объекта. Основные задачи:

1. Провести анализ структурных схем существующих радиометров, позволяющий выявить основные ключевые элементы приемника, определяющие технические характеристики и функциональные возможности радиометров, и сформулировать требования к их параметрам.

2. Разработать технологические способы улучшения выходных характеристик транзистора, разработать на его основе монолитные интегральные схемы (МИС) малошумящего усилителя (МШУ) и переключателя и разработать, и изготовить макет модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа.

3. Разработать методики конструкторско-технологического обеспечения радиометрических измерений на этапах разработки и производства модуля СВЧ радиометрического приемника.

4. Разработать и изготовить стенд, включающий макет модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного

радиотермографа, помехозащищенные антенны-аппликаторы и алгоритм визуализации радиотермометрических данных.

5. Провести экспериментальные радиотермометрические измерения с точностью определения изменения температуры источника излучения 0,1 оС и его местоположения до 1 мм.

Методы исследования. В работе использованы современные методы конструктивно-технологического проектирования, методы схемотехнического моделирования и автоматизированного проектирования на основе программных средств, методы планирования эксперимента, а также электродинамика, теория электромагнитных волн и физика полупроводников.

Научная новизна

Новыми научными результатами, полученными автором, являются:

1. Разработан алгоритм моделирования конструктивных параметров гетероструктурного транзистора, позволяющий обеспечить выполнение заданных требований к прямым и обратным потерям, динамическому диапазону и малому энергопотреблению МШУ и переключателя с модифицированными транзисторами.

2. Разработана математическая модель распространения электромагнитного излучения в неоднородной среде, позволяющая решать обратную задачу восстановления внутреннего теплового поля по регистрируемому на поверхности исследуемого объекта тепловому излучению в нескольких частотных диапазонах и учитывающая неоднородность и многослойность имитатора объекта, что позволило разработать алгоритм визуализации 3D изображение теплового поля с применением сплайновой интерполяции, а предложенная методика внутренней и внешней калибровки приемника позволяет повысить точность измерения.

3. Разработан алгоритм подавления помех в условиях внешних помех при эксплуатации, позволяющий реализовать итерационные процедуры дискриминации импульсных помех и повысить точность измерений от 2 до 10 раз в зависимости от интенсивность помех за счет новой конструкции антенн и

предложенных методик математических моделей согласования антенны с источником излучения и антенн с приемником и тем самым повысить эффективность использования устройства.

Практическая ценность работы

1. Предложена новая конструкция СВЧ приемника многоканального многочастотного радиотермографа, обеспечивающего высокую точность измерений температуры и местоположения источника повышения температуры при высоких требованиях по динамическому диапазону, помехозащищенности, малому шуму и энергопотреблению.

2. Впервые разработаны и экспериментально исследованы макеты многочастотных многоканальных модулей СВЧ приемников для радиотермометрии, обеспечивающие точность измерений температуры до 0,1 оС и определение местоположения источника повышенной температуры до 1 мм.

3. Предложена методика конструкторско-технологического обеспечения создания модуля СВЧ приемника многоканального многочастотного радиотермографа с введением дополнительных операций и соответствующего технологического оборудования в технологический процесс его производства, позволяющие обеспечить улучшение его параметров назначения.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов. Обоснованность теоретических положений обусловлена соответствием используемых в диссертационной работе методов исследования объекту исследования и протекающим в нем физическим процессам.

Достоверность результатов обеспечивается экспериментальной проверкой с использованием высокотехнологичного, поверенного измерительного оборудования и аттестованных методик измерения. Полученные результаты численного моделирования соответствуют экспериментальным данным и согласуются с современными научными представлениями и данными отечественных и зарубежных научно-технических источников в данной области.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждаются результатами обсуждения на международных и российских

научно-технических конференциях, а также публикациями в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, и изданиях, реферируемых в международных базах Web of Science и Scopus.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный алгоритм моделирования конструктивных параметров гетероструктурного транзистора, используемого при разработке МИС малошумящего усилителя и переключателя, позволивший обеспечить выполнение заданных требований и повысить энергоэффективность радиометрического приемника за счет уменьшения токопотребления с сохранением динамического диапазона и уменьшением собственных шумов.

2. Разработанные методики внутренней и внешней калибровки многоканальных многочастотных радиотермографов, выполненных в микроэлектронном исполнении, и методика повышения помехоустойчивости их СВЧ-приемников за счет проектирования антенн и согласования антенн с СВЧ-приемником и антенн с исследуемым объектом, а также предложенного алгоритма подавления помех при радиометрических измерениях.

3. Разработанный алгоритм визуализации полученных с помощью многоканального многочастотного радиотермографа радиотермометрических данных, позволяющий построить тепловые карты распределения температуры внутри исследуемого объекта.

4. Структурная схема и конструкция многоканального многочастотного СВЧ приемника и его ключевых элементов, обеспечивающая возможность проведения радиометрических измерений изменений температуры исследуемого объекта с точностью до 0,1 оС и месторасположением источника повышения температуры до 1 мм.

Соответствие паспорту специальности 2.2.9 «Проектирование и технология приборостроения и радиоэлектронной аппаратуры» в части следующих областей исследования:

- разработка новых приборов радиоэлектронной аппаратуры с учетом решения вопросов обеспечения их эффективного применения;

- внедрение новых технологических процессов получения традиционных материалов для элементов информационно-измерительной аппаратуры и радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивающих их эффективное применение.

Личный вклад автора. Все основные научные положения, определение цели, постановка задач, выводы и рекомендации сформулированы лично автором. Результаты теоретических исследований получены лично автором, экспериментальные исследования проводились с его участием. Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов отражено в публикациях и подтверждено соавторами. Во всех необходимых случаях заимствования чужих результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных конференциях: 29-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2019 г.), Инжиниринг & Телекоммуникации — En&T 2019 (г. Москва, 2019 г.), 6-ой международной школе-конференции "Saint-Petersburg OPEN 2019" по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), 7-ой международной школе-конференции "Saint-Petersburg OPEN 2020" по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям (г. Санкт-Петербург, 2020 г.), 2-ой Международной Конференции ФКС-2021 «Физика конденсированных состояний», посвященная 90-летию со дня рождения академика Ю.А. Осипьяна (г. Черноголовка, 2021 г.), 9-ой международной школе-конференции "Saint-Petersburg OPEN 2022" по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям (г. Санкт-Петербург, 2022 г.), XLVI Академические чтения по космонавтике «Королёвские чтения» (г. Москва, 2022 г.), 31-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2022 г.), Международная научная конференция «Системы и технологии цифрового медицины - STDH-2023» (г. Ташкент, 2023 г.).

Внедрение и использование результатов работы. Материалы диссертации использовались в ходе следующих работ:

- ПНИ "Разработка научно-технических решений для повышения надежности и радиационной стойкости элементной базы полупроводниковой СВЧ электроники аппаратуры космического назначения" (уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) К^МЕЕ157414Х0116), Соглашение № 14.574.21.0116 о предоставлении субсидии от 12.11.2014 г., программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2014-2020 годы", Министерство образования и науки Российской Федерации, срок проведения 2014-2016 гг.

- НИР в рамках выполнения соглашений Российского научного фонда № 19-19-00349 от 24.04.2019 и № 19-19-00349-П от 19.05.2022 «Создание методики и многоканального многочастотного СВЧ радиотермографа на основе монолитных интегральных схем для нахождения 3D распределения и динамики радиояркостной температуры в глубине тела человека»

- НИР в рамках выполнения научного проекта РФФИ №2 20-37-90124\20 от 24.08.2020 «Выявление и исследование ключевых элементов медицинских радиотермометров в монолитном интегральном исполнении, обеспечивающих выполнение предъявляемых к ним высоких требований по чувствительности, точности, широкополосности, помехозащищенности».

- НИР в рамках выполнения соглашений Российского научного фонда № 22-19-00063 от 13.05.2022 «Новые подходы к дистанционному определению портрета профиля влажности по измеренным характеристикам собственного теплового поля земной поверхности»

Результаты работы используются в учебном процессе подготовки дипломированных специалистов по специальности 11.05.01 «Проектирование и

технология радиоэлектронных средств», магистров и бакалавров по направлению 28.03.02 «Наноинженерия» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Получен акт внедрения результатов работы в следующие курсы: «Технология радиоэлектронных систем», «Основы проектирования наноприборов и систем на их основе».

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования представлены в 30 научных работах в рецензируемых журналах и изданиях из перечня ВАК РФ и 10 статьях, индексируемых в Scopus и Web of Science, в том числе одна публикация в журнале Sensors and Actuators A: Physical (Q1), а также в 2 монографиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Содержит 201 страницу, в том числе 150 страниц основного текста. Список используемых источников содержит 80 наименования и приведен на 8 страницах. Работа содержит 105 иллюстраций и 10 таблиц.

Глава 1. Обоснование актуальности проблемы конструкторско-технологическое обеспечения производства модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа

1.1. Анализ современного состояния и тенденции развития метода микроволновой радиометрии

Технология радиометрии используется как в медицине для раннего обнаружения заболеваний в организме человека, так и в других отраслях, например, в сельском хозяйстве для оценки температуры и влажности почвы и улучшения её качества. Метод позволяет дистанционно получать информацию о температуре как на поверхности, так и в глубине объекта.

На Рисунке 1.1 приведены области применения метода радиометрии. В работе рассматриваются две области применения как наиболее востребованные - медицина и сельское хозяйство. Однако ввиду общности конструкторско-технологических решений результаты, полученные при разработке модуля радиометрического приемника, применимы и в других областях.

Определение уровня грунтовых вод

Обнаружение

льда на поверхности воды или почвы

Рисунок 1.1. Области применения технологии радиометрии

Несмотря на высокий диагностический потенциал микроволновой радиотермометрии, в практической медицине и других областях метод не получил широкого распространения. Это связано с несовершенством диагностической аппаратуры, ее громоздкостью и недостаточной наглядностью представления результатов обследования, а также инфраструктурными ограничениями, которые тормозят внедрение метода в клиническую практику.

В 1928 году Найквист и Джонс впервые упомянули микроволновую радиометрию как науку, изучающую использование естественного электромагнитного излучения объектами с температурой выше абсолютного нуля. Эта наука определяет температуру объектов путем измерения интенсивности радиоизлучения, которое они испускают. Любое физическое тело, включая биологические объекты, излучает электромагнитные волны в различных частотах, и интенсивность этого излучения может быть рассчитана с использованием формулы Планка:

В(/Л = 3 Л, (1.1)

2

С

е -1

где И - постоянная Планка, 6,22-10-34 Дж/с; / - частота, Гц; с - скорость света, 3-108 м/с; к - константа Больцмана, 1,38-10-23 Дж/К; Т - абсолютная температура, К [1,2].

Максимум излучения для температуры тела человека 37 °С приходится на ИК-диапазон при длине волны 10 мкм. В СВЧ-диапазоне (108...109 Гц) интенсивность излучения на 5-6 порядков меньше, чем в ИК-диапазоне.

В диапазоне частот 108...1010 Гц и при средней температуре тела в 37 °С энергия кванта много меньше тепловой шумовой энергии (И/<<кТ), поэтому, разложив экспоненту в ряд Тейлора и ограничившись двумя первыми членами, получаем приближение Рэлея-Джинса [1,2]:

^2

В(/,Т) = 2пкТ^г. (1.2)

В соответствии с законом Релея-Джонса плотность энергии теплового излучения биологических тканей пропорциональна его температуре, поэтому измеряя интенсивность микроволнового изучения тела с помощью антенны, расположенной на его поверхности, можно определить его температуру. Метод радиотермометрии (далее - МР) построен на этом принципе. При разработке радиотермометров применяется формула Найквиста-Джонсона [1,2]:

и2 = 4ЯкТА/, (1.3)

где и2 - квадрат среднего шумового напряжения (В) на концах проводника с сопротивлением Я (Ом) при абсолютной температуре Т, А/ - полоса частот приемника.

Из (1.3) следует, что мощность шумового сигнала на выходе антенны, (при отсутствии отражений от тела):

и2

Р = — = кТА/. (1.4)

4Я

По мощности, излучаемой биологическими объектами, которые в общем случае представляют собой многослойную структуру, определяется радиояркостная температура, которая связана с термодинамической температурой как:

да

тгаа = | Т(гЩт№, (1.5)

—да

где Т(г) - термодинамическая температура биологического объекта, Ж(г) -радиометрическая весовая функция антенны. Интегрирование ведется по объёму биологического объекта V. Ж(г) определяется как:

(1.6)

Ш(г) =

Р Е(г)\^

-» да ^ 9

о Е(г)\2 ау

да

Р | )|2

—да

где Р - объёмная плотность поглощения электромагнитной мощности, Р0 -полная рассеиваемая мощность, Е(г) - напряженность электрического поля антенны, а(т) - электропроводность биологических тканей.

Если температура тела постоянна то, радиояркостная температура совпадает с термодинамической температурой. В остальных же случаях радиояркостная температура представляет собой усреднённую с весом W(r) термодинамическую температуру в объёме под антенной.

Исследования их характеристик позволяют получить информацию об объекте, в частности информацию о состоянии глубинных структур тел. Применение различных физиологических тестов изменяет структуру полей излучения биологических объектов и, соответственно, позволяет получить информацию о возможных патологических изменениях неинвазивно.

Радиотермометры или радиотермографы, позволяющие регистрировать микроволновое излучение биологических тканей, строятся в основном на базе схемы R. Dicke, предложенной им в 1946 [3], или схемы приемника прямого усиления [4-5]. В 1975 г. A. Barret первым предложил использовать для медицинской диагностики информацию о микроволновом излучении биологических тканей, в частности для выявления рака молочной железы [6].

В настоящее время микроволновые радиотермометры используются диагностики и контроля лечения различных заболеваний [7]. К сожалению, стационарные микроволновые радиотермометры невозможно использовать в процессе активной жизнедеятельности человека. Вместе с тем, в последние годы это направление очень востребовано и появились статьи по разработке миниатюрных носимых приборов, которые можно устанавливать на теле человека для проведения динамического мониторинга внутренней температуры [8-14]. В частности, Z. Popovic в статье, посвященной перспективам создания носимых беспроводных радиотермометров [11], отмечает, что миниатюризация с использованием монолитной интеграции возможна.

Другие технологии для измерения внутренней температуры, как правило, инвазивны, неудобны, могут вызывать дискомфорт и дать большую ошибку измерения до 6°С [15-18], либо имеют высокую стоимость. Однако и разработанные радиотермометры имели ряд недостатков: недостаточная чувствительность и точность измерения температуры, низкая

помехозащищенность, значительный вес и большие габаритные размеры. Попытки решения этих проблем предпринимались в [8,11] за счет разработки компактной версии радиометра на основе схемы R. Dicke [19,20].

По данным работы [11] монолитная интеграция возможна, но именно на монолитных интегральных схемах GaAs. Все компоненты могут быть интегрированы в один небольшой чип. Готовые микросхемы имеют небольшие размеры и могут быть установлены и соединены на гибкой подложке с зондом. Следует заметить, что это не является чипом, т.е. МИС, а лишь ГИС с квазимонолитным исполнением. Для повышения эффективности МР в медицинской практике необходимо создание миниатюрного многоканального многочастотного радиотермографа, обеспечивающего получение информации о внутренних температурах и динамики их изменения во времени в нескольких точках на различной глубине одновременно. При этом ставится задача получения информации о характере распределения температуры по глубине исследуемой области организма за счет построения послойных термокарт или трехмерных температурных полей. Большим преимуществом создаваемой системы будет получение информации о динамике изменения во времени внутренних температур одновременно в нескольких зонах на различной глубине. Это позволит перейти к динамической МР внутренних тканей и органов и проводить оценку их состояния под влиянием различных нагрузок и функциональных проб.

Однако существующие одноканальные и одночастотные радиометры не позволяют измерить внутреннюю температуру с точностью 0,1 оС и определить местоположение источника повышения температуры до 1 мм, поэтому целесообразно разработать многоканальный многочастотный радиометр, который позволит обеспечить выполнение данных требований, и соответствующее конструкторско-технологическое обеспечение производства модуля его СВЧ радиометрического приемника.

Целью диссертационной работы является создание средств конструкторско-технологического обеспечения производства модуля СВЧ

радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа, предназначенного для определения радиояркостной температуры в глубине биологического объекта.

Применение монолитных интегральных схем при разработке приемных модулей радиотермографа поможет уменьшить уровень помех в приемном тракте, сократить потери мощности сигнала от антенны к усилителю, уменьшить размеры и вес устройства, а также значительно расширить возможности выбора схемотехнических решений, что создаст условия для достижения оптимальных характеристик прибора.

Анализ тенденции развития метода микроволновой радиометрии показал, что разработка средств конструкторско-технологического обеспечения производства модуля СВЧ радиометрического приемника многоканального многочастотного радиотермографа, предназначенного для определения радиояркостной температуры в глубине биологического объекта, является актуальной. Наряду с обеспечением высоких требований по точности измерений использование МИС позволит снизить габариты, массу, стоимость и энергопотребление модуля СВЧ радиометрического приемника.

1.2. Анализ требований к техническим параметрам медицинских микроволновых радиотермометров

Метод радиотермометрии основывается на измерении интенсивности собственного электромагнитного излучения физического тела в диапазоне сверхвысоких частот. Путем измерений мощности шумового сигнала на выходе антенны можно определить температуру объекта. Процесс измерения мощности шумового сигнала, поступающего с выхода антенны, осуществляется в СВЧ-приемниках, известных как радиотермометры, к которым предъявляются определённые важные требования.

В микроволновом диапазоне излучение объекта соотносится с его температурой, что делает СВЧ-диапазон наиболее эффективным для измерения внутренней температуры объекта исследования путем приема энергии теплового излучения.

Путем размещения антенны-аппликатора в исследуемой анатомической области, возможно выявить имеющийся температурный градиент на глубине, если разница температур превышает установленный порог чувствительности радиометра.

Как говорилось ранее в п.1.1 развитие метода радиотермометрии (РТМ) затрудняется из-за ряда научно-технических ограничений. Используемые приборы являются одноканальными и одночастотными и имеют значительные габаритные размеры и вес. Для преодоления этих проблем необходимы многоканальные системы, которые смогут отслеживать изменения температуры по глубине в реальном времени. Простое увеличение числа каналов является нетехнологичным решением, поэтому требуется использовать новые схемы построения радиотермометров, которые смогут значительно уменьшить их размеры. Для достижения этой цели необходимо объединить в одном измерительном комплексе принципы многоканальности, многочастотности и миниатюризации, при этом обеспечивая необходимую функциональность и технические характеристики, что возможно при разработке схемотехнических решений на основе микроволновых монолитных интегральных микросхем. Для этого необходимо соблюдать ряд технических требований, предъявляемых к микроволновым радиотермометрам, которые должны быть учтены при их разработке и проектировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чижиков Сергей Владимирович, 2024 год

Список использованных источников

1. Nyquist H. Thermal agitation of electric charge in conductors // Physical Review. 1928. V. 32. P. 110-113.

2. Johnson J.B. Thermal agitation in conductors // Physical Review. 1928. V. 32. P. 97-109.

3. Dicke R. The measurement of thermal radiation at microwave frequencies // Review Science Instruments. 1946. V. 17. No. 7. P. 268-275.

4. Klemetsen O. Design and evaluation of medical microwave radiometer for observing temperature gradients subcutaneously in the human body. Phd thesis. University of Tromso, faculty of science department of physics and technology. Tromso. 2011. 92 p.

5. Park W., Jenq J. Total power radiometer for medical sensor application using matched and mismatched noise sources // Sensors. 2017. V. 17. No. 9. P. 2105.

6. Barrett A., Myers P.C., Sadowsky N.L. Detection of breast cancer by microwave radiometer // Radio Sci. 1977. V. 12. No. 68. P. 167-171.

7. Микроминиатюризация многоканальных многочастотных радиотермографов (часть 1) / А.Г. Гудков [и др.]. Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 5. С. 48-63.

8. Momenroodaki P. Noninvasive internal body temperature tracking with near-field microwave radiometry // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018. V. 66 (5). P.2535-2545.

9. Stable microwave radiometry system for long term monitoring of deep tissue temperature / P.R. Stauffer [et al.]. Energy-based Treatment of Tissue and Assessment VII. International Society for Optics and Photonics. 2013. V. 8584. P. 85840.

10. Wireless system for continuous monitoring of core body temperature / W. Haines [et al.]. IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). 2017. P. 541-543.

11. Popovic Z., Momenroodaki P., Scheeler R. Toward wearable wireless thermometers for internal body temperature measurements // IEEE Communications Magazine. 2014. V. 52 (10). P.118-125.

12. Momenroodaki P., Haines W., Popovic Z. Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues // IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). 2017. P. 1387-1390.

13. Ravi V.M., Arunachalam K. A low noise stable radiometer front-end for passive microwave tissue thermometry // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2019. V. 33(6) P. 743-758.

14. A novel compact microwave radiometric sensor to noninvasively track deep tissue thermal profiles / P.F. Maccarini [et al.]. 2015 European Microwave Conference (EuMC). 2015. P. 690-693.

15. Moran D.S., Mendal L. Core temperature measurement // Sports Medicine. 2002. V. 32. No. 14. P. 879-885.

16. Byrne C., Lim C.L. The ingestible telemetric body core temperature sensor: A review of validity and exercise applications // British Journal Sports Medicine. 2007. V. 41. No. 3. P. 126-133.

17. The effect of cool water ingestion on gastrointestinal pill temperature / D.M. Wilkinson [et al.]. Medicine Science. Sports Exercise. 2008. V. 40, No. 3. P. 523-528.

18. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance / G. Galiana [et al.]. Science. 2008. V. 322. No. 5900. P. 421-424.

19. Kraus J.D. Radio Astronomy, 2nd ed. // Cygnus-Quasar Books. 1976. P. 1-66.

20. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive // Microwave Remote Sensing Fundamentals and Radiometry. 1981. P. 1-123.

21. Development of a miniature microwave radiothermograph for monitoring the internal brain temperature / M.K. Sedankin [et al.]. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. V. 3. No 5. P. 26-36.

22. Chupina D.N., Sedankin M.K., Vesnin S.G. Application of modern technologies of mathematical simulation for the development of medical equipment // 11th IEEE International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT). Moscow, Russia. 2017. P.425-429.

23. Gawande R., Bradley R. Low-Noise Amplifier at 2.45 GHz // IEEE Microwave Magazine. 2010. V. 11. No. 1. P. 122-126.

24. A ultrawideband 3-10 GHz low-noise amplifier MMIC using inductive-series peaking technique / Chia-Song Wu [et al.]. 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering. Wuhan, China. 2011. P. 5667-5670.

25. Александров Р.Ю. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри // Компоненты и технологии. 2006. № 9. С. 174-182.

26. Increasing efficiency of GaN HEMT transistors in equipment for radiometry using numerical simulation / V.G. Tikhomirov [et al.]. Journal of Physics Conference Series. 2019. V. 1410. Art. no. 012191.

27. Evaluation of the influence mode on the CVC GaN HEMT using numerical modeling / A.G. Gudkob [et al.]. Journal of Physics: Conference Series. 2016. V.741. Is. 1. Art. no. 012024.

28. Оптимизация параметров HEMT-гетероструктур GaN/AlN/ AlGaN для СВЧ транзисторов с помощью численного моделирования / В.Г. Тихомиров [и др.]. Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. № 2. С. 245-249.

29. Чижиков С.В., Тихомиров В.Г., Гудков Г.А. Исследование влияния топологии базового транзистора на статические характеристики с целью определения оптимальной конструкции транзистора в составе МИС для микроволновой радиотермометрии // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2020. Т. 12. № 4. С. 46-52.

30. Detection of Vesicoureteral Reflux Using Microwave Radiometry—System Characterization With Tissue Phantoms / Kavitha Arunachalam [et al.]. IEEE Transactions on biomedical engineering. 2011. V. 58. No. 6. P.1629-1636.

31. Приборы для диагностики патологических изменений в организме человека методами микроволновой радиометрии / Ю.В. Гуляев [и др.]. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2017. Т. 9. № 2. С. 27-45.

32. Орлов И.Я., Снегирев С.Д. Защита модуляционного радиометра от импульсных помех адаптивным управлением частотой опорного колебания // Известия вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57. № 10. С. 807-816.

33. Широкополосная помехозащищенная антенна для радиотермометрии / С.В. Агасиева [и др.]. Журнал «Антенны». 2022. №6. С. 62-68.

34. Компенсация помех в работе СВЧ радиометрических систем / Е.В. Федосеева [и др.]. Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2014. Т.1. №13. С.50-62.

35. Многоканальный медицинский 3D-радиотермограф / В.Ю. Леушин [и др.]. Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. T. 25. № 6. С. 60-66.

36. Measurement and 3D Visualization of the Human Internal Heat Field by Means of Microwave Radiometry / I.A. Sidorov [et al.]. Sensors. 2021. V. 21. P. 4005.

37. Tofighi M.-R. Characterization of biomedical antennas for microwave heating, radiometry, and implant communication applications // 12th Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICONP). 2011. P.7.

38. Klemetsen O., Jacobsen S. Improved radiometric performance attained by an elliptical microwave antenna with suction // IEEE Trans. Biomedical Engineering. 2012. V. 59(1). P. 263-271.

39. Iudicello S. Microwave radiometry for breast cancer detection: PhD thesis. Universita' deglistudi tor vergata Roma, dipartimento di informatica, sistemi e produzionegeoinformation research doctorate. Rome. 2009. 111 p.

40. Asimakis N.P., Karanasiou I.S., Uzunoglu N.K. Conformal L-notch patch antennas for human brain monitoring using the SAM head model // Electromagnetics in Advanced Applications. 2009. P.214-217.

41. Miniature sensor for measurement and control of temperatures by microwave radiometry in medical applications / C. Vanoverschelde [et al.]. Microwave Symposium Digest, 1 IEEE MTT-S International. Phoenix (Arizona). 2001. V. 1. P. 155-158.

42. Development of patch textile antenna for medical robots / M.K. Sedankin [et al.]. 2018 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). 2018. P. 413-420.

43. Design and interdisciplinary simulations of a hand-held device for internal-body temperature sensing using microwave radiometry / N.A. Livanos [et al.]. IEEE Sensors Journal. 2018. V. 18. No. 6. P. 2421-2433.

44. Design and optimization of an ultra wideband and compact microwave antenna for radiometric monitoring of brain temperature / D.B. Rodrigues [et al.]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014. V. 61. No. 7. P. 2154-2160.

45. Wideband epidermal antenna for medical radiometry / G. León [et al.]. Sensors. 2020. V. 20. No. 7. P. 1987.

46. A Printed Antenna with an Infrared Temperature Sensor for a Medical Multichannel Microwave Radiometer / S.G. Vesnin [et al.]. Biomedical Engineering. 2020. V. 54. No. 4. P. 235-239.

47. A Wearable Radiometric Antenna for Non-Invasive Brain Temperature Monitoring / H. Ullah [et al.]. 18th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM). 2018. P. 1-2.

48. Tofighi M.R. Dual-mode planar applicator for simultaneous microwave heating and radiometric sensing // Electronics letters. 2012. V. 48. No. 20. P. 1252-1253.

49. Development and optimization of an ultra wideband miniature medical antenna for radiometric multi-channel multi-frequency thermal monitoring / M.K. Sedankin [et al.]. Eureka: Physics and Engineering. 2020. No. 6. P. 71-81.

50. Microwave radiometry for noninvasive monitoring of brain temperature. In Emerging Electromagnetic Technologies for Brain Diseases Diagnostics / D.B. Rodrigues [et al.]. Monitoring and Therapy. 2018. P. 87-127.

51. Detection of vesicoureteral reflux using microwave radiometry—system characterization with tissue phantoms / K. Arunachalam [et al.]. IEEE Trans. on Biomedical Engineering. 2011. V. 58. No. 6. P. 1629-1636.

52. Jacobsen S., Stauffer P. Multi-frequency radiometric determination of temperature profiles in a lossy homogenous phantom using a dual-mode antenna with integral water bolus // IEEE Trans. Micr. Theory Tech. 2002. No. 50. P. 1737-1746.

53. Jacobsen S., Klemetsen 0., Birkelund Y. Vesicoureteral reflux in young children: a study of radiometric thermometry as detection modality using an ex vivo porcine model // Physics in Medicine & Biology. 2012. V. 57. No. 17. P. 55-57.

54. A novel compact microwave radiometric sensor to noninvasively track deep tissue thermal profiles / P.F. Maccarini [et al.]. 2015 European Microwave Conference (EuMC). 2015. P. 690-693.

55. Jacobsen S., Stauffer P. R., Rolfsnes H.O. Characteristics of microstrip muscle-loaded single-arm Archimedean spiral antenna as investigated by FDTD numerical computations // IEEE Transaction on Biomedical Engineering. 2005. V. 52. No. 2. P.321-330.

56. Tofighi M.R., Sunal A. Spiral antenna irradiation into lossy media with Debye dispersion // IEEE Radio and Wireless Symposium. 2008. P. 311-314.

57. Jacobsen S. Microwave radiometry as a non-invasive temperature monitoring modality during superficial hyperthermia // Engineering Medicine. 2017. P. 94-96.

58. Stable microwave radiometry system for long term monitoring of deep tissue temperature / P.R. Stauffer [et al.]. Energy-based Treatment of Tissue and Assessment VII. International Society for Optics and Photonics. 2013. V. 8584. Art. no. 85840R.

59. IEEE/IEC 62704-4-22-2020 International Standard. Determining the peak spatial-average specific absorption rate (SAR) in the human body from wireless communication devices, 3- MHz to 6 GHz. 2020. 86 p.

60. Using memory-efficient algorithm for large-scale time-domain modeling of surface plasmonpolaritons propagation in organic light emitting diodes / I. Valuev [et. al.]. Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 905. Art no. 012030.

61. Creating Numerically Efficient FDTD Simulations Using Generic C++ Programming / I. Valuev [et al.]. Lecture Notes in Computer Science (LNCS). 2007. V. 4707. P. 213.

62. System of Rational Parameters of Antennas for Designing a Multi-channel Multi-frequency Medical Radiometer / M.K. Sedankin [et al.]. 2020 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). 2020. P. 154-159.

63. Kraus J.D. Antennas. Second Edition. Tata Mc Grau-Hill. 1997. 921 p.

64. Balanis C.A. Antenna Theory. Analisis and Design. Third Edition. Wiley-Intersciense. 2005. 1072 p.

65. The specific of 3D passive radars sensing alive and non-alive objects / I.A. Sidorov [et al.]. International Conference on Engineering and Telecommunication (EnT). Dolgoprudny, Russia 2019. P. 1-4.

66. Уточненный алгоритм вычисления внутренней температуры тела человека методом многочастотной радиотермографии / Е.П. Новичихин [и др.]. РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2022. Т. 14. № 1. С. 79-86.

67. Программа управления, предварительной обработки и передачи данных многоканального радиотермографа: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2020667485 / Е.П. Новичихин [и др.]; заявл. 14.12.2020; опубл. 23.12.2020. Бюлл. №1.

68. Программа обработки и визуализации радиотермографических данных головы человека: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2020667484 / Е.П. Новичихин [и др.]; заявл. 14.12.2020; опубл. 23.12.2020. Бюлл. №1 .

69. Гудков А.Г. Радиометрия. М.: Радиотехника. 2023. 348 с.

70. Элементная база в исполнении МИС для радиометрических СВЧ-приемников, применяемых в сельском хозяйстве / И.А. Сидоров [и др.]. Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 5. С. 24-31.

71. Результаты натурных экспериментов по дистанционному определению портретов влажности почвы (часть 1) / И.А. Сидоров [и др.]. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2022. Т. 14. № 4. С. 45-60.

72. Результаты натурных экспериментов по дистанционному определению портретов влажности почвы (часть 2) / И.А. Сидоров [и др.]. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2023. Т. 15. № 1. С. 41-53.

73. Радиометрический метод получения портретов влажности почвы для исследования гидрологии дамб / И.А. Сидоров [и др.]. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2023. Т. 15. № 2. С. 125-132.

74. Результаты радиометрического зондирования виноградника в условиях помех / И.А. Сидоров [и др.]. СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2023. № 5. С. 230-231.

75. Экспериментальная установка комплексного оборудования для радиометрического дистанционного определения портретов влажности почвы и погодного мониторинга на полигоне ВНИИМЗ / Н.А. Хархардинов [и др.]. Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 5. С. 42-48.

76. Радиометрический метод получения портретов влажности почвы для исследования гидрологии дамб / И.А. Сидоров [и др.]. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2023. Т. 15. № 2. С. 125-132.

77. Дистанционное определение влажностного портрета дамбы СВЧ-радиометром с борта беспилотного летательного аппарата / И.А. Сидоров [и др.]. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2022. Т. 14. № 3. С. 5-13.

78. Мониторинг гидрологической обстановки вдоль трасс трубопроводов методами микроволновой радиометрии / И.А. Сидоров [и др.]. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. № 11. С. 34-36.

79. О возможности обнаружения нефтяных пленок на поверхности воды методами СВЧ-радиометрии / А.Г. Гудков [и др.]. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2019. №1. С. 34-36.

80. A portable microwave radiometer for proximal measurement of soil permittivity / I.A. Sidorov [et al.]. Computers and Electronics in Agriculture. 2022. V.198. Art no. 107076

Приложение

П.1.1. Разработка основных элементов модуля СВЧ приемника

Исследования в области миниатюризации микроволновых радиотермометров позволили существенно уменьшить их размеры. Например, портативный микроволновый радиотермометр, описанный в [21], в 1200 раз меньше серийного радиометра РТМ-01-РЭС по объему и имеет в 850 раз меньший вес. Тепловыделение прибора также снизилось с 10 Вт до 1,05 Вт (в десять раз), что привело к повышению температуры миниатюрного радиотермометра до 40-50 °С [21]. Если такой прибор контактирует с телом пациента, он может нагревать ткани в исследуемой области, искажая данные о температурном поле и снижая точность диагностики. Поэтому при миниатюризации прибора необходимо в первую очередь сосредоточиться на снижении его энергопотребления.

На Рисунке П.1.1 представлена структурная схема миниатюрного радиометра: SD - синхронный детектор, SA - селективный усилитель; BPF -полосовой фильтр; RVG - генератор опорного напряжения, PRTD -платиновый резистивный датчик температуры, LF amp - усилитель низкой частоты.

Рисунок П. 1.1.

Структурная схема миниатюрного микроволнового радиометра

Основные энергопотребляющие элементы миниатюрного радиометра приведены в Таблице П. 1.

Таблица П. 1.

Основные энергопотребляющие элементы миниатюрного радиометра

№ Название Ток потребления, мА Напряжение, В Полная мощность, мВт

1 МШУ (малошумящий усилитель) 28 5 140

2 СВЧ нагрузка, нагреваемая элементом Пельтье 110 5 550

3 Переключатель на 2 канала 2 3,3 6,6

4 ПАИС 5 3,3 16,5

5 Устройство питания 21 5 105

6 Микроконтроллер 2 3,3 6,6

7 АЦП 3 3,3 9,9

Из таблицы П. 1 видно, что одним из основных источников энергопотребления в схеме является МШУ и СВЧ нагрузка, которая нагревается с помощью элемента Пельтье. В данном приборе используется МШУ VMMK-3803 от компании Avago Technologies, потребляющий 14 мА при рабочем напряжении 5 В. Поскольку в схеме применяется как минимум два МШУ, их суммарное потребление составляет 150 мВт. При этом коэффициент усиления МШУ равен 20 дБ, а выходная мощность при компрессии 1 дБ составляет 5 мВт. К сожалению, большинство малошумящих усилителей, особенно те, которые обладают низким коэффициентом шума и широким динамическим диапазоном, имеют значительное потребление тока.

В таблице П.2 представлены МШУ компании Mini-Circuit (США). В последнем столбце представлен ток потребления микросхемы.

Таблица П.2.

Основные характеристики МШУ компании Mini-Circuit (США)

Номер модели Частота нижняя, МГц Частота верхняя, МГц Усиление, дБ Коэффициент шума, дБ Напряжение, В Ток потребления, мА

AVA-0233LN-D+ 2000 30000 17 2,2 5 65,2

CMA-83LN+ 500 8000 21,5 1,3 5,0/6,0 50/62

CMA-103+ 50 4000 11,0 0,8 3,0/5,0 60/97

CMA-162LN+ 700 1600 23,2 0,49 4 55

CMA-252LN+ 1500 2500 16,8 1 4 57

CMA-545+ 50 6000 14,2 0,8 3 80

CMA-545G1+ 400 2200 31,8 0,9 5 158

CMA-5043+ 50 4000 18,4 0,75 5 58

GALI- 39+ DC 7000 19,7 2,4 3,5 35

GALI- S66+ DC 3000 18,2 2,4 3,5 16

GALI-S66-D+ DC 3000 18,2 2,4 3,5 16

LEE-39+ DC 8000 20,8 2,4 3,5 35

LEE2-6+ DC 7000 18,9 2,3 3,6 16

MNA- 6A+ 500 2500 25 2,6 2,8/5,0 92/99

MNA-6A-D+ 500 5500 23,2 2,7 2,8/5,0 92/99

MNA-6W+ 500 5500 23,2 2,7 2,8/5,0 92/99

PGA- 102+ 50 6000 15,9 2,3 3,3 83

PGA- 103+ 50 4000 11 0,9 3,0/5,0 60/97

PGA-103-D+ 50 4000 11,3 0,8 5 60/97

PGA-1021+ 50 6000 15,1 2,3 3,3 57

PMA- 545+ 50 6000 14,2 0,8 3 80

PMA-5451+ 50 6000 13,7 0,8 3 30

PMA- 5452+ 50 6000 14 0,7 3 40

PMA- 5453+ 50 6000 14,3 0,7 3 60

PMA-5454+ 50 6000 13,5 0,9 5 20

PMA- 5455+ 50 6000 14 0,8 5 40

PMA- 5456+ 50 6000 14,4 0,8 5 60

Из Таблицы П.2 видно, что большинство усилителей с низким коэффициентом шума потребляют ток в диапазоне 40-50 мА. Если радиометр включает 2-3 каскада, суммарное потребление в таком случае может достигать 80-150 мА при напряжении 5 В.

Однако существуют МШУ с гораздо меньшим потреблением тока, например, используемые в системах GPS/GNSS. В частности, МШУ MAX2679 компании Maxim Integrated (в настоящее время является частью Analog Devices) предназначен для GPS L1, Galileo и GLONASS. Этот усилитель отличается высоким коэффициентом усиления (G = 19 дБ), низким

коэффициентом шума (Ы = 0,95 дБ) и очень низким потреблением тока (1 мА). Усилитель МАХ2679В потребляет ещё меньше тока — 0,65 мА. Напряжение питания для этих МШУ может варьироваться от 1,08 до 1,98 В. Полные характеристики усилителя МАХ2679 можно найти на Рисунке П.1.2.

Electrical Characteristics (continued)

(Vcc = 1.08V to 1.98V, Ta = -40"C lo +85"C. Typical values are at Vcc = 1.8V and Ta = +25°C, unless otherwise noted. Limits are 100% tested at T^ = +25"C. Limits over the operating temperature range and relevant supply voltage range are guaranteed by design and characterization. Specifications marked "GBD" are guaranteed by design and not production tested.)

PARAMETER SYMBOL CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS

AC ELECTRICAL CHARACTERISTICS

RF Frequency fRF 1575.42 MHz

Power Gain MAX2679 19 dB

MAX2679B 16.5

Noise Figure 0402 matching Inductor (Note 2} MAX2679 0.95 dB

MAX2679B 1.03

Out-of-Band 3rd-Order Input Intercept Point °IP3 fRFi = 1713MHz; PRF1 = -27dBm; fRF2= 1851MHz; PRF2 - -39dBm MAX2679 -17 dBm

MAX2679B -19

Input 1dB Compression Point PldB fRF = 1575.42MHz MAX2679 -25 dBm

MAX2679B -26

Input Return Loss PldB fRF = 1575.42MHz MAX2679 9 dB

MAX2679B 7

Output Return Loss 12 dB

Reverse Isolation 26 dB

Note 2: Noise figure measured in a Faraday cage to remove all interfering signals from increasing the noise floor. Includes 0.02dB loss of EV Kit trace

Рисунок П.1.2. Электрические характеристики МШУ MAX 2679

На Рисунке П. 1.3 представлены частотная зависимость величины обратных потерь и коэффициента усиления МШУ MAX 2679.

Рисунок П. 1.3.

Частотная зависимость величины обратных потерь и коэффициента усиления МШУ MAX 2679

К сожалению, диапазон рабочих частот этой микросхемы значительно уже по сравнению с широкополосными МШУ, представленными в Таблице П.2, и составляет примерно 100 МГц. То есть, MAX 2679 может использоваться для создания миниатюрных микроволновых радиометров на частоте 1,5 ГГц. Однако следует учитывать, что при таком диапазоне частот достигается высокая точность измерений, но помехозащищенность остается на низком уровне. В настоящее время для этого диапазона частот не существуют медицинские радиометры, которые могут проводить измерения внутренней температуры без дополнительной экранировки.

Важно отметить, что MAX 2679 не единственная микросхема с низким потреблением тока. Например, компании Infineon (США) и NXP Semiconductors (США) разработали ряд МШУ, которые повышают чувствительность сигналов GNSS и особенно подходят для носимых и мобильных устройств IoT. Эти микросхемы используются в системах GPS, GLONASS, Beidou и Galileo. Параметры МШУ от компаний Infineon и NXP Semiconductors представлены в Таблице П.3.

Таблица П.3.

Параметры микросхемы МШУ компании Infineon (США) и NXP

Semiconductors (США)

№ Название МШУ Диапазон частот (МГц) Усиление (дБ) NF (дБ) Ток потребления (мА)

1 BGA123L4 1550-1615 18,2 0,75 1,1

2 BGA524N6 1550-1615 16,8 1,07 1,7

3 BGU8103 1550-1615 17,5 0,8 1,2

Из Таблицы П.3 видно, что все представленные микросхемы обладают высоким усилением, очень низким коэффициентом шума и потребляют ток в пределах 1 мА-1,7 мА. Однако, эти микросхемы работают в диапазоне частот 1,5-1,6 ГГц. В диапазоне 3,4-4,2 ГГц большинство микросхем имеют значительное потребление энергии. Поэтому разработка микросхем с низким потреблением в диапазоне 3,3-4,2 ГГц актуальна для создания миниатюрных интегральных микроволновых радиометров.

Для дальнейшего уменьшения размеров микроволновых радиометров необходимо создать малошумящий усилитель для диапазона частот 3,3-4,2 ГГц с низким потреблением тока, что позволит существенно снизить тепловыделение устройства.

Другим важным источником тепла в миниатюрном радиометре является подогрев СВЧ согласованной нагрузки, установленной на элементе Пельтье. Нагрев резистора необходим для уравнивания шумовых температур, поступающих от нагреваемой нагрузки и биологического объекта. Напряжение с выхода ПАИС, пропорциональное разнице температур между нагрузкой и биообъектом, поступает на вход усилителя постоянного тока и далее на элемент Пельтье, который регулирует температуру нагрузки в зависимости от полярности поступающего напряжения (см. Рисунок П.1.1). При высоком коэффициенте усиления петли обратной связи температура согласованной нагрузки может достигать 55-60 °С, что способствует общему повышению температуры радиометра. Поскольку элемент Пельтье имеет низкое сопротивление (5,72 Ом), для усиления постоянного тока используется микросхема ALM2402-Q1, предназначенная для работы с низкоомными нагрузками и способная пропускать ток до 500 мА.

Элемент Пельтье 1М002-024-05 также обладает низким сопротивлением (572 Ом) и может проводить значительный ток (400 мА). Экспериментальные исследования показали, что вместе с усилителем ALM2402-Q1 и нагреваемой нагрузкой общее потребление этого узла составляет 135 мА. Таким образом, подогрев согласованной нагрузки является

основным источником тепловыделения миниатюрного радиометра, как показано на Рисунке П.1.1.

Для обеспечения равенства шумовых температур без нагрева резистора можно изменить время приема сигнала от резистора или использовать регулируемый источник шумового сигнала. Например, можно применить стабилитрон KC 175Ж, который обеспечивает нужный уровень шумовой температуры в диапазоне частот до 5 ГГц. Шумовая температура стабилитрона зависит от тока через него, при этом для KC 175Ж требуется ток 4 мА. Регулируя ток, можно настроить уровень температуры шумового сигнала, что позволит снизить энергопотребление миниатюрного радиометра и предотвратить его перегрев до 50 °С, минимизируя влияние на измеряемую температуру.

П. 1.2. Разработка фильтра

В данном разделе более подробно представлена разработка миниатюрного фильтра для СВЧ радиометрического приемника.

Полосно-пропускающие фильтры играют ключевую роль в создании микроволновых радиометров. Большинство компонентов СВЧ тракта радиометра обладают широкой полосой пропускания. Например, электронные переключатели работают в диапазоне 0,1-6,0 ГГц, малошумящие усилители и референсные источники шума также имеют широкую полосу пропускания. Полосно-пропускающие фильтры (ППФ) устанавливают диапазон частот, в котором проводится радиометрическое измерение. Этот параметр критичен, поскольку он определяет глубину измерения радиотермометра, его разрешающую способность и другие характеристики.

Сигнал, поступающий на вход радиотермометра, имеет шумовой характер, что означает, что радиояркостная температура, измеряемая прибором, также будет содержать шум. Стандартное отклонение шумового сигнала на выходе Dicke радиотермометра будет зависеть от времени

накопления шумового сигнала и ширины полосы пропускания входного тракта радиометра Л^

2,2 »Т

(П. 1.1)

5 Vaf-x

где т - постоянная времени на выходе радиометра, c; AF - ширина полосы пропускания входного тракта радиометра, Гц; T - температура шумового сигнала на выходе МШУ, приведенная ко входу МШУ, К.

Для снижения флуктуационной ошибки радиотермометра необходимо увеличивать полосу пропускания фильтра. Если т = 4 с, AF = 500 МГц, флуктуационная ошибка на выходе радиотермометра будет составлять ±0,1 оС. В диапазоне 3,5-4,0 ГГц достаточно легко обеспечить ширину полосы пропускания в 500 МГц. В радиометрах, работающих в диапазоне 1 ГГц полосу пропускания 500 МГц обеспечить сложнее из-за сильных электромагнитных помех, поэтому в этом частотном диапазоне полоса пропускания ППФ, как правило, близка к 100 МГц или еще меньше. Очевидно, что это приводит к увеличению времени измерения.

Полосно-пропускающие фильтры должны не только определять необходимую полосу пропускания радиотермометра, но и обеспечивать подавление электромагнитных помех из окружающей среды. На вход микроволнового радиотермометра, помимо шума от тела человека, могут поступать электромагнитные сигналы от таких источников, как Wi-Fi, Bluetooth, компьютеры, люминесцентные лампы и другие. При ширине полосы пропускания 500 МГц мощность шумового сигнала на входе радиотермометра составляет 10-12 Вт, в то время как мощность внешних электромагнитных излучений может быть значительно выше. Полосно-пропускающие фильтры должны эффективно подавлять эти помехи.

Для снижения побочного и внеполосного излучения целесообразно устанавливать полосно-пропускающие фильтры перед малошумящим усилителем. Это снизит требования к динамическому диапазону первого каскада усилителя. Однако фильтры имеют диссипативные потери, которые

могут увеличить флуктуационную ошибку радиотермометра. Поэтому в серийных медицинских радиотермометрах фильтры обычно не устанавливаются на входе. Некоторая защита от внеполосного излучения обеспечивается антенной и циркуляторами. Допустимый уровень сигнала на входе малошумящего усилителя в серийных радиотермометрах составляет -13 дБ/мВт. Если фильтр устанавливается после МШУ, его потери не оказывают значительного влияния на флуктуационную ошибку.

На Рисунке П.1.4 показана топология четырехрезонаторного фильтра с параллельно каскадным соединением резонаторов. Фильтр выполнен на подложке из ВК 100 (Е = 9,8), толщиной 1 мм.

Рисунок П.1.4.

Топология четырех-резонаторного фильтра с параллельно-каскадным

включением резонаторов

Для уменьшения размеров фильтра применялась керамическая подложка с высокой диэлектрической проницаемостью (в = 90). На Рисунке П.1.5, а показан внешний вид миниатюрного фильтра, а на Рисунке П.1.5, б — его экспериментальная амплитудно-частотная характеристика. Стоит отметить, что несмотря на компактные размеры, фильтр обладает высокой избирательностью благодаря полюсам затухания на крайних частотах.

Частота, ГГц

а) б)

Рисунок П. 1.5.

Миниатюрный 1111Ф на подложке с высоким значением диэлектрической проницаемости: топология фильтра (а), амплитудно-частотная характеристика фильтра (б)

В Таблице П. 4 представлены экспериментально полученные коэффициенты прямоугольности разработанного фильтра и расчетные коэффициенты прямоугольности шестизвенного микрополоскового фильтра на полуволновых резонаторах.

Таблица П. 4. Сравнение параметров различных типов фильтров

Кп 20 Кп 30 Кп 40 Габариты, мм3 Площадь платы, мм2

Миниатюрный фильтр с полюсами затухания 1,91 2,17 2,39 3,9х4,2х0,5 16

Четырехзвенный микрополосковый фильтр 2,28 3,24 5,00 30х24х1 720

Шестизвенный микрополосковый фильтр 1,89 2,28 2,83 48х30х1 1440

Из Таблицы П.4 видно, что миниатюрный фильтр превосходит четырехзвенный фильтр на полуволновых резонаторах по коэффициенту прямоугольности и по избирательности сопоставим с шестизвенным фильтром. Площадь платы миниатюрного фильтра почти в 90 раз меньше площади платы традиционного фильтра с аналогичной избирательностью.

Исследование показало, что миниатюрный микрополосковый фильтр с полосами затухания на крайних частотах, выполненный на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью и использующий параллельно каскадное соединение резонаторов, обладает высокой частотной избирательностью (Кп 40 = 2,4), сравнимой с параметрами шестизвенного фильтра на полуволновых резонаторах. Размеры миниатюрного фильтра составляют 3,9*4,2 мм2, что в 87 раз меньше площади традиционного фильтра на полуволновых резонаторах с сопоставимым коэффициентом прямоугольности (Кп = 2,83).

Важно отметить, что размеры миниатюрного фильтра соответствуют размерам других SMD-компонентов, что позволяет интегрировать его в технологию поверхностного монтажа и существенно уменьшить размеры микроволнового радиометра.

П. 1.3. Разработка макета СВЧ-приемника

В данном разделе представлено описание составных узлов приёмного канала. Входной коммутатор на 5 каналов выполнен на микросхеме HMC252QS24 шестиканального неотражающего переключателя, работающего в диапазоне частот от 0 до 3 ГГц. Переключатель управляется сигналами совместимыми с ТТЬ/СМОБ положительной логикой. Максимальное затухание переключателя составляет 0,5 дБ, развязка между каналами - не менее 32 дБ. Микросхема выполнена в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа.

МШУ выполнен на микросхемах MGA-62563, которая является ОаЛБ интегральным усилителем, обладающим хорошей линейностью, малыми шумами в диапазоне 0,1 - 3 ГГц и высокой перегрузочной способностью. Максимальная выходная мощность при 1 дБ компрессии во втором диапазоне равна 17,6 дБм. Типовой коэффициент усиления 22 дБ. Коэффициент шума не хуже 1,4 дБ. Выход микросхемы согласован на 50 Ом, по входу требуется лишь небольшое согласование. Данная структура позволяет строить простые, легко настраиваемые каскады с хорошими характеристиками.

Микросхема ОР2Б1+ представляет из себя делитель/сумматор мощности, имеет небольшие вносимые потери (не более 1,2 дБ на краю диапазона). В качестве детектора применена микросхема Л08362 работающая в диапазоне от 50Гц до 3,8 ГГц, обладающая большим динамическим диапазоном, высокой стабильностью характеристик в широком диапазоне температур. Структура квадратичного детектора позволяет получить точные значения мощности сигнала на выходе, Микросхема работает в диапазоне входных мощностей от -52 дБм до +8 дБм.

Микросхемы Л08145, Л08000, Л08002 представляют из себя дифференциальные усилители с широкой полосой пропускания, высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала и хорошей нагрузочной способностью.

Микросхема БКУ73012 представляет из себя квадратурный широкополосный демодулятор прямого преобразования с большим динамическим диапазоном, имеет квадратурные выходы. Микросхема выпускается в миниатюрном безвыводном корпусе, предназначенном для поверхностного монтажа.

В микроволновых радиометрических приёмниках для детектирования СВЧ-сигнала наведённого электромагнитной волной в антенне-аппликаторе тракте применяют квадратичный детектор. На выходе квадратичного детектора возникает сигнал пропорциональный мощности принятого сигнала, или квадрата амплитуды. При квадратичном детектировании информация о

фазе принятой волны пропадает. Однако, фаза принятой волны также несёт полезную информацию. В частности, при наличии нескольких приёмников с антеннами, расположенными в пространстве по определённой схеме, например, в виде решётки, и при наличии в каждом приёмнике информации о фазе принятой волны, можно суммировать принятые сигналы с учётом фазы, что позволит повысить разрешающую способность приёмной системы. При этом, разрешающая способность определяется не диаграммой направленности отдельной антенны а базовыми размерами решётки из нескольких приёмных антенн.

Чтобы обеспечить когерентное суммирование сигналов различных приёмников, необходимо регистрировать волну без потери информации о фазе. Такая задача решается путём применения квадратурно-фазового детектор. Квадратурно-фазовый детектор представляет из себя двухканальный смеситель на гетеродинные входы которого подан синусоидальный сигнал одной частоты но с разницей фаз равной 90 градусов, например, синус и косинус опорной частоты.

Цифровые отсчёты выходных сигналов квадратурно-фазового детектора - квадратуры, могут интерпретироваться как действительная и мнимая часть комплексных чисел, содержащих информацию как об амплитуде, так и о фазе принятой волны.

Микросхема БКУ73012 представляет из себя квадратурный широкополосный демодулятор прямого преобразования с большим динамическим диапазоном, имеет квадратурные выходы. Вход опорной частоты несимметричный, что позволяет упростить топологию платы.

Для обеспечения стабильности измерений и минимизации влияния колебаний температуры окружающей среды необходимо термостатировать СВЧ-тракт приемника. Для достижения гарантированной точности измерения дифференциальной радиояркостной температуры в 0,1 градуса Цельсия требуется поддерживать постоянную температуру тракта с точностью не менее 0,3 градуса Цельсия на протяжении всего диапазона внешних

температур. Это достигается путем размещения тракта в закрытом пространстве с низкой теплопроводностью, что снижает теплообмен между компонентами тракта и окружающей средой. Все компоненты тракта монтируются на массивной теплопроводящей плите, которая обеспечивает значительную тепловую инерционность. Термостабилизация плиты осуществляется за счет установки в нескольких местах тепловыделяющих элементов, оснащенных термодатчиками и контроллерами для управления.

П.2.1. Разработка макета имитатора биологического объекта

Имитатор биологического объекта предназначен для имитации злокачественной опухоли внутри тела человека и использования совместно со специальным стендом для калибровки многоканального многочастотного радиотермографа, предназначенного для измерения 3D-поля температур внутри тела человека методом микроволновой радиотермометрии.

В имитатор биологического объекта входят:

- термостат для заполнения физиологическим раствором с погруженным имитатором опухоли и одной гибкой стенкой - имитатором кожного покрова;

- имитатор опухоли, заполненный физиологическим раствором с термомтатом;

- система управления термостатами с возможностью подключения к персональному компьютеру для обмена информацией и командами.

Термостат предназначен для поддержания постоянной температуры физиологического раствора, заполняющего его, и погружения в него имитатора опухоли.

Термостат (Рисунок П.2.1) представляет сосуд кубической формы с нагревательным элементом на дне и системой термодатчиков. Перемешивание физиологического раствора для обеспечения однородности температуры физиологического раствора по объему производится путем подачи воздуха от микрокомпрессора к распылителям расположенным на дне. Три боковые

стенки и днище термостата и съемная верхняя крышка покрыты слоем радиопоглощающего материала, металлической фольги и слоем теплоизоляционного материала. Лицевая стенка изготовлена с помощью рамки с натянутым на нее листовым напряженным резиновым лоскутом, имитирующим кожу человека.

Рисунок П.2.1. Корпус термостата

Основные параметры термостата:

Габаритные размеры - 200х200х200 мм.

Температура в термостате 36,6 оС.

Точность поддержания температуры 0,1 оС.

Верхняя крышка термостата имеет продолговатую прорезь для обеспечения перемещения имитатора опухоли вдоль нее, а также отверстия для пропуска кабеля с проводами нагревательного элемента и термодатчиков и трубки подачи воздуха от микрокомпрессора или двигателя перемешивателя.

Имитатор опухоли представляет второй термостат меньшего размера. Заполняется физиологическим раствором с большей концентрацией и обеспечивается его герметичность от жидкости внешнего термостата. Все стенки имитатора опухоли покрываются радиопоглощающим материалом, кроме стенки, направленной к лицевой стене внешнего термостата, которая делается из радиопрозрачного материала. Имитатор крепится с помощью

прямоугольной трубки, проходящей через прорезь в крышке термостата. Перемещение трубки с имитатором вдоль щели имитирует глубину залегания опухоли. Провода нагревателя и термодатчиков с трубкой воздуховода проходят через прямоугольную трубку держателя имитатора.

Система управления термостатами построена на базе микроконтроллера, который подключается к персональному компьютеру через ШВ-интерфейс. Эта система позволяет управлять температурами термостатов с помощью компьютера, отображать на экране текущее состояние термостатов и поддерживать заданные температуры внутри термостатов.

Питание осуществляется от источника постоянного тока +12 В с силой тока до 5 А.

Внешний вид имитатора опухоли показан на Рисунке П.2.2.

Рисунок П.2.2. Внешний вид имитатора опухоли

Основные параметры термостата имитатора опухоли:

- габаритные размеры - 60х60х60 мм;

- температура в термостате от 36,6 до 42 оС;

- точность поддержания температуры 0,1 оС.

Терморегулятор физраствора и имитатора опухли (ТРФ) предназначен для приема сигналов термодатчиков физраствора и фантома, вычисления температур, формирования информационной строки и передачи ее по запросу через интерфейс USART в персональный компьютер для дальнейшего использования, а также для управления нагревательным элементом так, чтобы его температура была бы стабильной 36,6 оС.

Основным элементом платы ТРФ является микроконтроллер ATXMEGA32A4-AU фирмы Atmel. Микроконтроллер может программироваться и эмулироваться непосредственно в плате через четырех штырьковый разъем с переходником на стандартный разъем интерфейса программирования PDI. Кроме микроконтроллера на плате расположен регулируемый DC-DC преобразователь SCV0050 для стабилизации тока нагревателя, а также аналоговый ключ на полевом транзисторе для включения и отключения тока нагрева.

В качестве термодатчиков применяются интегральные аналоговые датчики с цифровым выходом TMP05 фирмы Analog Devices. Выходной сигнал датчика TMP05 представляет периодическую последовательность импульсов с ШИМ модуляцией, осциллограмма выходного сигнала термодатчика представлена на Рисунке П.2.3.

Hantek И711#1 JVa J И Измерения X

Частота

10.37Hz

Период

96.40rns

Среднее

1.20V

Пик-Пик

3.68V

Минину

-240mV

Максимум

3.44V

Длит, +

33.40rns

Врепгя нараст.

200.0us

Рисунок П.2.3. Осциллограмма выходного сигнала термодатчика

Микроконтроллер под управлением программы измеряет время в состоянии логической единицы и в состоянии логического нуля за несколько периодов модуляции. Затем усредняет полученные значения для повышения точности измерений. Далее вычисляется температура по формуле:

Температура (°С) = 421 - (751 х (Ти/Ть)), (П.2.1)

где Ти и Ть - длительность состоянии логической единицы и в состоянии логического нуля соответственно.

Управление работой термостабилизатора физраствора и фантома осуществляется по следующему алгоритму. Микроконтроллер вычисляет раз в секунду температуру физраствора и фантома. Если температура физраствора больше 36,6 оС, то на аналоговый ключ выдается сигнал отключения тока нагрева. Если разница температур меньше 36,6 оС, то на аналоговый ключ выдается сигнал включения тока нагрева. В промежутке между этими значениями состояние ключа не меняется. Аналогично регулируется температура фантома.

Для питания микроконтроллера и термодатчиков установлен DC-DC преобразователь R-78E3.3-0.5 фирмы Recom с выходным напряжением 3,3 В.

Фото платы терморегулятора физраствора и фантома (ТРФ) представлено на Рисунке П.2.4.

Рисунок П.2.4. Плата терморегулятора физраствора и фантома

Связь с компьютером для выдачи значений температуры и приема команд управления термостатом используется плата контроллера оптического интерфейса.

Внешний вид платы контроллера оптического интерфейса представлен на Рисунке П.2.5.

Рисунок П.2.5.

Внешний вид платы контроллера оптического интерфейса

Плата терморегулятора физраствора и фантома и плата контроллера оптического интерфейса располагаются в общем корпусе блока управления, который конструктивно крепятся к имитатору опухоли (фантома).

Внешний вид собранного термостата с блоком управления и оптическим интерфейсом представлен на Рисунке П.2.6.

^ • « О '

Рисунок П.2.6.

Внешний вид собранного термостата с блоком управления П.3.1. Разработка помехозащищенной антенны-аппликатора

В микроволновой радиометрии наибольшее распространение получили печатные антенны. В работе [37] предложено для мониторинга температуры в процессе гипертермии использовать замкнутые щелевые антенны, изготавливаемые печатным способом: антенна прямоугольного сечения 57 мм х 57 мм предназначена для работы в диапазоне 1,5-2,0 ГГц, а антенна круглого сечения диаметром 55 мм - на частоте 900 МГц. Для изготовления этих антенн использован материал типа Rogers 4003 (s=3,55, tg5=0,027) толщиной 1,524 мм. Для согласования с биологическим объектом рабочая поверхность антенн покрыта слоем силикона толщиной 2,5 мм. В отличие от волноводных антенн, у которых между излучателем, и апертурой антенны, расположен отрезок волновода, у печатных антенн излучатель нанесен непосредственно на диэлектрическом основании. Толщина основания обычно не превосходит 2 мм. Поэтому печатные антенны легче волноводных антенн, дешевле, имеют небольшую высоту и оказывают меньшее влияние на температуру кожи. В ряде конструкций печатных антенн используют тонкий

слой диэлектрика, который размещается между антенной и биологическим объектом, что позволяет улучшить согласование антенны.

В работе [38] описана эллиптическая печатная антенна сантиметрового диапазона длин волн (Хо=8,6 см), в которой на одной стороне диэлектрического основания нанесен излучатель эллиптической формы, соединенный с микрополоской линией. Противоположная сторона подложки частично металлизирована, непосредственно под эллиптическим излучателем металлизация отсутствует. В качестве диэлектрического основания используется материал Я0-4350Б с толщиной 1,524 мм. Для повышения помехозащищенности, антенна снабжена медным экраном с прямоугольными фланцами. В диэлектрике имеется большое число небольших отверстий для откачивания воздуха. Под экраном антенны создается отрицательное давление с помощью специального вакуумного насоса для создания эффекта «присасывания», что обеспечивает хорошее прилегание антенны к поверхности биологического объекта. Размеры антенны вместе с корпусом и фланцем - 50 мм х 50 мм х 32 мм.

В работе [39] представлены две печатные антенны (круглая и прямоугольная) на основе ра1:сЬ-излучателей. Антенны спроектированы на частоту 2,65 ГГц. Круглая антенна имеет диаметр 046 мм; размеры прямоугольной антенны 34 мм х 38 мм. Диэлектрическая проницаемость подложки 8=2,33. На одной стороне диэлектрического основания напечатан излучатель прямоугольной формы, противоположная сторона подложки металлизирована. В работе [40] описана ра1еИ-антенна Ь-образной формы, изготовлена на основе материала Я04350 с диэлектрической проницаемостью е = 3,66. Антенна работает на частотах 2,44 ГГц и 2,6 ГГц с полосами рабочих частот 53 МГц и 43 МГц соответственно.

Щелевая антенна [41] используется в сантиметровом диапазоне (Х0 = 9,4 см) и выполнена на подложке с 8 = 10 и толщиной 1,27 мм. На одной стороне подложки размещена топология излучателя, в то время как противоположная сторона подложки, контактирующая с биологическим

объектом, не имеет металлизации. Возбуждение антенны осуществляется стандартным способом, характерным для щелевых излучателей: экран коаксиального кабеля подключается к одной стороне щелевой линии, а внутренний проводник - к другой стороне. Для повышения помехозащищенности антенна защищена двойным экраном.

Простые конструкции антенн-аппликаторов в виде печатного пластинчатого излучателя [42] имеют недостаточно широкую полосу рабочих частот, а распределение электромагнитного поля в объеме биологического объекта имеет слабую направленность и небольшую глубину проникновения. В [43,44] рассмотрена конструкция широкополосного аппликатора в виде печатной антенны типа «бабочка» на диэлектрической подложке используемая в приборе для обнаружения новообразований. Преимуществом широкополосных антенн, описанных в [45-49], является возможность их использования в многоканальных многочастотных медицинских радиотермографах. Антенны-аппликаторы в виде печатного кольцевого вибратора описаны в [50-51].

Печатные антенны со спиральным излучателем рассмотрены в работах [52-58]. В статье [56] описана конструкция широкополосной антенны-аппликатора в виде однозаходной архимедовой спирали, предназначенной для неинвазивного контроля температуры при СВЧ гипертермии. Эта антенна отличается небольшой высотой («плоскостностью») и широким диапазоном рабочих частот (500-800 МГц), но имеет недостатки, такие как повышенные потери из-за протекания тока по длинному спиральному проводнику. В работе [57] представлена печатная антенна с однозаходной архимедовой спиралью и тремя витками, размером 35 мм х 35 мм, с центральной частотой 3,5 ГГц и полосой частот 500 МГц. Она была экспериментально исследована на водных фантомах с желатином для контроля внутренней температуры во время гипертермии. Также в [57] описана спиральная антенна диаметром 2,6 см для мониторинга температуры головного мозга. В работе [58] представлена логарифмическая спиральная антенна для мониторинга температуры почек и

мочевого пузыря, работающая на частоте 1,35 ГГц с диаметром 5 см и помещенная в металлизированный экран. Внутри экрана размещен входной тракт радиометрического приемника.

Обычно в печатных антеннах-аппликаторах используют диэлектрическое основание с высокой диэлектрической проницаемостью, низкими потерями и низкой теплопроводностью. Эти свойства позволяют антенне минимально влиять на температуру кожи. В работах [49,50,52,53] исследованы конструкции и характеристики широкополосных печатных антенн-аппликаторов, помещенных в экранирующие корпуса. Такие конструкции помогают уменьшить уровень обратного излучения и, как следствие, повысить помехозащищенность радиотермографа.

В работе исследована возможность повышения помехозащищенности печатной антенны в виде двухзаходной архимедовой спирали, помещенной в экранирующие металлический корпус цилиндрической формы. Для моделирования характеристик указанной антенны был выбран диапазон 2-6 ГГц, поскольку в нем можно выбрать участки, в которых с большей вероятностью можно обеспечить безупречную работу медицинского радиотермографа, поскольку интенсивность помех здесь меньше, чем на более низких частотах.

Для расчета электрического поля антенны-аппликатора в виде двухзаходной архимедовой спирали, помещенной в экранирующий металлический корпус цилиндрической формы использовались численные методы электродинамического моделирования. При проведении использовался имитатор биологической объекта в форме головы человека, при этом была смоделирована ситуация, когда антенна-аппликатор непосредственно соприкасается с биологическим объектом (Рисунок П.3.1). Расстояние между заушными левой и правой зонами головы выбрано равным 160 мм.

158 mm

Рисунок П.3.1.

Имитатор биологической объекта в форме головы человека

При изучении собственного излучения головного мозга рассматрена модель головы человека в виде многослойной структуры с электрическими свойствами, соответствующими коже, костной ткани, серого и белого вещества головного мозга. При измерении глубинных температур биологического объекта необходимо учитывать вклад различных слоев биологического в измеряемую радиояркостную температуру. Такой подход является необходимым при локализации патологических изменений в головном мозге, в том числе опухолей. В работе была поставлена задача определения возможности повышения помехозащищенности антенн аппликаторов, поэтому для упрощения анализа в имитаторе биологического объекта используются усредненные значения действительной Eps и мнимой Eps частей диэлектрической постоянной тканей головы, при этом в соответствии со стандартом IEC/IEEE 62704 [59] учитываются зависимости этих параметров от частоты в микроволновом диапазоне (Рисунок П.3.2).

Eps' Eps"

а) б)

Рисунок П.3.2.

Частотные зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей усредненной диэлектрической проницаемости тканей головы человека

На Рисунке П.3.3 представлена модель печатной антенны в виде архимедовой спирали, помещенной в экранирующий металлический корпус цилиндрической формы диаметром 44 мм и высотой 28,5 мм. Спираль имеет следующие параметры: количество витков: 9; радиус первого витка 3 мм; радиус 9-го витка 16 мм; ширина образующей спираль полосковой линии 0,7 мм; зазор между соседними витками спирали 0,7 мм.

Материал печатной платы антенны - RO3210 компании «Rogers Corporation» толщиной 2 мм с односторонней металлизацией. Согласование входного импеданса антенны со стандартным волновым сопротивлением коаксиального кабеля (50 Ом) осуществляется с помощью согласующего устройства в виде расширяющейся двухпроводной полосковой линии, выполненной печатным способом из материала RO4350B компании «Rogers Corporation» толщиной 0,508 мм с двухсторонней металлизацией.

а) б)

Рисунок П.3.3.

Модель печатной антенны-аппликатора в виде архимедовой спирали в экранирующем корпусе (а) и с поглощающим материалом на наружной поверхности экранирующего корпуса (б): 1- металлический экранирующий

корпус; 2- печатная плата антенны; 3- печатная плата согласующего устройства; 4- поглощающий материал

В качестве вариантов покрытия внешней поверхности корпуса антенны-аппликатора были рассмотрены эластичный пенополиуретановый поглощающий материал Eccosorb LS-30, обладающий затуханием 24 дБ/см на частоте 3 ГГц, и жесткий поглощающий материал на основе эпоксидной смолы Eccosorb ЖР-190, обеспечивающий затухание 12,6 дБ на частоте 1 ГГц и затухание 27 дБ/см на частоте 3 ГГц.

На Рисунках П.3.4 и П.3.5 представлены расчетные распределения объемной плотности поглощаемой мощности внутри имитатора головы человека для модели печатной антенны-аппликатора в виде двухзаходной архимедовой спирали в экранирующем корпусе и для модели с поглощающим материалом на наружной поверхности экранирующего корпуса при мощности 1 Вт на входе антенны-аппликатора.

а) б) в)

Рисунок П.3.4.

Расчетные распределения объемной плотности поглощаемой мощности внутри имитатора головы человека при облучении печатной антенной-аппликатором в виде двухзаходной архимедовой спирали в экранирующем корпусе (модель на рис. 3,а): а - на частоте 2 ГГц; б - на частоте 4 ГГц; в - на

частоте 6 ГГц

а) б) в)

Рисунок П.3.5.

Расчетные распределения объемной плотности поглощаемой мощности

внутри имитатора головы человека для модели печатной антенны-аппликатора в виде двухзаходной архимедовой спирали с поглощающим материалом БСС080КБМЕ-190 на внешней поверхности экранирующего корпуса (модель на рис. 3,б): а - на частоте 2 ГГц; б - на частоте 4 ГГц; в - на

частоте 6 ГГц

На Рисунке П.3.6 для сравнения в укрупненном масштабе показаны распределения объемной плотности поглощаемой мощности внутри имитатора головы человека при облучении печатной антенной в виде двухзаходной архимедовой спирали на частоте 2 МГц при отсутствии

поглощающего материала на внешней поверхности экранирующего корпуса и при размещении поглощающего материала на внешней поверхности экранирующего корпуса.

Рисунок П.3.6.

Распределенияе объемной плотности поглощаемой мощности внутри имитатора головы человека при облучении печатной антенной в виде двухзаходной архимедовой спирали на частоте 2 МГц: а - модель антенны-

аппликатора без поглощающего материала на внешней поверхности экранирующего корпуса; б - модель антенны-аппликатора с поглощающим материалом на внешней поверхности экранирующего корпуса.

Помехозащищенность антенны-аппликатора, подключаемой ко входу медицинского радиотермографа, целесообразно оценивать в условиях, максимально приближенных к условиям ее использования, то есть при расположении антенны аппликатора на поверхности биологического объекта. Для этого введем понятие эквивалентой нагруженной антенны, в структуру которой помимо антенны-аппликатора включен также имитатор головы человека. Будем исходить из того, что в данную эквивалентную антенну помехи могут поступать с любого направления в трехмерном пространстве. Поэтому представляет интерес трехмерная диаграмма направленности, в которой параметры антенны зависят от направления, которое задается в сферических координатах (в, щ), где в - угол данного направления над опорной плоскостью, щ - угол между проекцией данного направления на опорную

а)

б)

плоскость. Под опорной плоскостью здесь понимается плоскость, перпендикулярная вертикальной оси имитатора биологической объекта в форме головы человека, проходящая через точку пересечения оси антенны -аппликатора с поверхностью имитатора головы человека. Согласно принципу взаимности антенна-аппликатор имеет одинаковые электрические свойства в режимах приема и передачи, поэтому будем рассматривать характеристики эквивалентной нагруженной антенны при подаче мощности в микроволновом диапазоне на ее вход. В случае идеального согласования антенны -аппликатора с биологическими тканями часть мощности генератора поглощается тканями имитатора головы человека, а другая часть излучается в окружающее пространство. В общем случае для коэффициента усиления антенны-аппликатора действительно выражение [63]:

GAIN = К • 0(в,ф), (П.3.1)

где K - эффективность излучения антенны-аппликатора в пространство вне биологического объекта; D (в, щ) - направленность антенны-аппликатора. В данном случае K характеризует как потери в самой антенне-аппликаторе, так и потери в имитаторе головы человека, и определяется формулой:

К = ^ (П.3.2)

-in

где Prad - суммарная мощность, излучаемая в пространство вне биологического объекта; Pin - мощность, подаваемая на вход антенны-аппликатора.

Направленность антенны-аппликатора D(e, щ) определяется выражением

[64]:

тгр) = Р-Ш, (П.3.3)

где Р(в, щ) - интенсивность излучения в данном направлении; Р - средняя интенсивность излучения, которая опрежеляется как

Р = -(П.3.4)

4тг у '

На основании (П.4.1)-(П.4.4) получаем:

GAIN = (П.3.5)

-i n

Очевидно, что при одной и той же мощности источников помех, расположенных на одинаковом расстоянии от антенны-аппликатора по различным направлениям, наибольшее влияние на работу радиотермографа могут оказать помехи, поступающие с направления, соответствующего максимальному усилению антенны. В связи с этим в качестве параметра, характеризующего помехозащищенность антенны-аппликатора,

расположенной на поверхности имитатора головы человека, целесообразно рассматривать коэффициент усиления в направлении, соответствующем максимуму объемной диаграммы направленности, определенный по отношению к изотропной антенне без потерь.

С целью определения возможности минимизации коэффициента усиления антенны в заднем направлении были проведены расчеты объемных диаграмм направленности эквивалентной антенны для двух вариантов экранирующих корпусов, представленных на Рисунке П.3.3. На Рисунках П.3.7 и П.3.8 представлены результаты расчетов объемных диаграмм направленности эквивалентной антенны, включающей в себя печатной антенны-аппликатора в виде двухзаходной архимедовой спирали и имитатор головы человека.

а) б) в)

Рисунок П.3.7.

Объемные диаграммы направленности эквивалентной нагруженной антенны, включающей в себя печатную антенну-аппликатор в виде двухзаходной архимедовой спирали в корпусе без поглощающего материала и имитатор головы человека: а - на частоте 2 ГГц, б - на частоте 4 ГГц, в - на

частоте 6 ГГц

а) б) в)

Рисунок П.3.8.

Объемные диаграммы направленности эквивалентной нагруженной антенны, включающей в себя печатную антенну-аппликатор в виде двухзаходной архимедовой спирали с поглощающим материалом ЕссобогЬ МБ-190 толщиной 7 мм на внешней поверхности корпуса и имитатор головы человека: а - на частоте 2 ГГц, б - на частоте 4 ГГц, в - на частоте 6 ГГц.

В Таблице П.5 приведены результаты вычисления коэффициентов усиления в максимуме диаграммы направленности эквивалентной антенны для различных вариантов экранированной печатной антенны в виде двухзаходной архимедовой спирали, размещенной на имитаторе головы человека.

Таблица П.5. Результаты вычисления коэффициентов усиления

Частота, Исходный Вариант с Вариант с Вариант с

ГГц вариант поглощающим поглощающим поглощающим

материалом материалом материалом

ЬБ-24 на внешней ЬБ-30 на внешней МБ-190 на внешней

поверхности поверхности поверхности

экранирующего экранирующего экранирующего

корпуса корпуса корпуса

2 -8,5 -15,5 -17,3 -18

2,5 -15,4 -19,4 -21,6 -2е,9

3 -17,5 -22,4 -23,9 -33,4

3,5 -25,1 -30,0 -31 -34,2

4 -23,9 -27,3 -28,1 -30,3

4,5 -23,8 -27,9 -28,8 -32,8

5 -20,7 -25,5 -26,1 -29,5

5,5 -22,7 -28,1 -28,2 -32

6 -20,6 -26,3 -26,4 -30,9

На Рисунке П.3.9 представлены расчетные диаграммы направленности эквивалентной нагруженной антенны в опорной плоскости (0 = 0).

270'

Рисунок П.3.9.

Расчетные диаграммы направленности эквивалентной нагруженной антенны в опорной плоскости (0=0^ на частоте 4 ГГц: без поглощающего материала на внешней поверхности корпуса антенны-аппликатора (синяя линия); с поглощающим материалом ЕссобогЬ ЫБ-190 толщиной 7 мм на внешней поверхности корпуса антенны-аппликатора (красная линия)

П.3.2. Разработка стенда для проведения радиометрических измерений

В качестве примера в Таблице П. 6 приведены данные калибровочного файла для температуры термостата 36,6 оС и глубины залегания фантома 1 см.

Таблица П.6.

Результаты измерения температуры фантома прототипом пятиканального двухчастотного радиотермографа в диапазоне от 36,6 оС до

38,0 оС при глубине залегания 1 мм

Канал Диапазон 1-700 МГц 2-1400 МГц Температура Фантома установленная, оС Температура Фантома измеренная термодатчиком , оС Температура антенная, оС Глубина, см

1 1 36,6 36,4 37,1 1

2 1 36,6 36,4 36,3 1

3 1 36,6 36,4 36,8 1

4 1 36,6 36,4 37,1 1

5 1 36,6 36,4 36,9 1

1 2 36,6 36,4 36,8 1

2 2 36,6 36,4 36,8 1

3 2 36,6 36,4 36,5 1

4 2 36,6 36,4 36,4 1

5 2 36,6 36,4 37,0 1

1 1 36,7 36,5 37,2 1

2 1 36,7 36,5 36,4 1

3 1 36,7 36,5 36,9 1

4 1 36,7 36,5 37,3 1

5 1 36,7 36,5 36,9 1

1 2 36,7 36,5 36,9 1

2 2 36,7 36,5 36,7 1

3 2 36,7 36,5 36,6 1

4 2 36,7 36,5 36,5 1

5 2 36,7 36,5 37,2 1

1 1 36,8 36,6 37,3 1

2 1 36,8 36,6 36,5 1

3 1 36,8 36,6 36,9 1

4 1 36,8 36,6 37,4 1