微波技术论文提纲

论文题目：基于可重构天线阵技术的脑活动微波探测研究

摘要：二十世纪以来,人类脑科学领域逐渐在全球掀起了广泛的关注,微波技术凭借其特有的优势,越来越广泛的应用于生命科学领域。非侵入式脑活动探测是近十年来脑科学领域的主要研究方向之一,而其中大脑活动状态的判断分类以及诊断成像等一直是研究重点。利用微波技术探测大脑中不同区域的功能,有助于更深入了解人类大脑的工作原理。本文针对利用微波技术进行脑活动探测做了相关研究,从基于脑部神经产生活动时引起的兴奋区介质电参数变化特性,以及电磁波在三层动态介质中传播时的状态角度出发,详细描绘了利用电磁波技术对大脑进行探测的过程。神经产生兴奋时细胞膜两侧的电位会发生改变,进而影响该区域电参数特性。依靠这种变化,利用电磁波获取大脑活动与传输相位的同步改变,进而分析大脑不同区域的功能。随后设计用于脑活动探测的天线单元,同时借助高精度的三维人头模型,对天线阵列不同方向上接收到的散射信号进行了数据处理,结果表明利用微波技术进行脑活动探测的有效性。最后进行了应用于脑活动微波探测的可重构天线阵技术的研究,对天线单元及射频前端电路设计加工后,设计可行性方案进行脑活动仿生实验,进一步验证了理论的正确性。论文的主要内容及工作成果如下:1.通过大脑各种状态下产生神经活动的角度,对大脑的生理环境、神经细胞发生活动时由于带电离子往复运动引发的生物电信号进而影响介质电参数特性的变化,以及微波在色散介质中的传输过程进行了阐述。根据脑神经兴奋状态下的工作原理,建立了基于均匀平面波的分层时变介质传输模型,同时构建了电磁波传输相位与介质动态时变电参数特性之间的数学关系。进而描绘了动态时变介质中,变化的介电参数引发透射电磁波相位同步变化的过程,且两者的特征变化频率是相等的。为后续研究提供了相应的理论基础。2.针对人体头部生物结构以及微波探测的具体要求,设计天线单元结构用于脑活动微波探测。首先设计了一款用于脑活动探测研究的平面单极全向天线,该天线利用了平面六边形单极天线的宽频带特性,通过蚀刻缺陷地结构实现天线小型化。为了增强天线的定向辐射能力,同时设计使用了一种花瓣形谐振式反射器,其在较宽频带内可以产生同相反射,并减少剖面高度至仅为0.1λ0。该天线实测阻抗带宽为0.91GHz-2.42 GHz（91%）,在同相反射频带内其前后比都大于5 d B,在1.05 GHz处的前后比峰值达到了15 d B。测试结果与仿真的一致性表明了该天线具有超宽带的特点,从远场方向图可以看出该天线具有良好的定向性能,使得该天线可以应用于脑活动探测领域。3.利用电磁仿真软件进行理论的合理性验证。引入精密三维人头模型,为大脑不同组织配置对应的电参数。在电磁仿真软件中建立模型,依据脑功能区介质的时变电参数特性,在对应的位置处模拟视觉皮层与嗅觉皮层的神经活动。在该人头模型外围的建立6单元天线阵列,根据比吸收率分析结果证明了天线探测系统的安全性。对不同方向接收到的散射电磁波进行记录处理,利用时频域变换方法,深入研究了介质电参数（介电常数、电导率）的改变对传输系数相位变化的影响。仿真结果证明,利用微波技术对脑功能区的神经活动探测的有效性。最后分析头部不同生物组织的色散特性,结合分辨率和透射深度选取合适的工作频率。4.利用收发可重构天线阵技术,在大脑仿生模型中进行脑活动相关的模拟实验。基于Peregrine Semiconductor半导体公司的PE42442A-Z射频开关芯片,设计了可用于收发切换的微波馈电网络。对电路进行加工和实测,各射频通路的插入损耗均小于3 d B,各支路之间的隔离度均大于20 d B。随后利用天线单元、射频开关电路以及人头仿生模型组成6单元收发可重构环形天线阵列,应用在脑活动微波探测的后期实验研究中。通过深入研究,分析不同种无机化学物在水中溶解后的电参数变化特性,掌握其变化规律后根据一定配比混合制成大脑组织仿生模型。最后经过仿生模拟实验,分析不同微波传输路径上的脑活动信息,表明了功能区介质电参数的改变会引起传输相位的变化。实测的变化规律与仿真数据的相吻合,证明了不同方向散射波的S参数相位变化能够携带大脑兴奋区神经活动的信息。