基于多层超表面(MS)的微型宽带天线传感器在乳腺癌检测中的创新应用

本文推荐一篇突破性研究：作者团队设计了一种基于多层超表面(MS)和共面波导(CPW)馈电的微型宽带天线传感器，通过平行板电容结构实现64.0%阻抗带宽(4.67-9.07 GHz)和6.9 dBi高增益，尺寸仅0.39λ0×0.51λ0。该传感器在乳腺癌检测中展现出显著优势，其定向辐射特性较传统超宽带(UWB)天线具有更强抗干扰能力，比MRI等传统方法更经济安全。

　　

Highlight

1. 1.

   首次提出基于平行板电容器的新型宽带传感器用于乳腺癌检测。

2. 2.

   同步实现紧凑型(0.39λ₀×0.51λ₀)、宽带(64.0%)、低剖面(0.07λ₀)和端射辐射特性，最高增益达6.9 dBi。

3. 3.

   相较于传统全向辐射UWB天线，本传感器定向辐射模式具有更高增益和抗电磁干扰能力。

Antenna Sensor Configuration

图1展示传感器三维结构：采用三层层压F4BM基板(介电常数3.5，损耗角正切0.0042)，顶层为4×4金属贴片阵列，中层通过垂直金属通孔连接双面贴片，底层集成CPW馈电结构。这种创新堆叠设计通过激发TM₁₀/TM₂₀混合模态实现宽带特性，其等效电路模型显示电容耦合效应可显著降低谐振频率。

Beast Model Configuration

图6展示半球形乳腺模型：包含皮肤(5mm, ε_r=36, σ=4S/m)、脂肪(15mm, ε_r=9)、纤维腺体组织(30mm, ε_r=13)和肿瘤(ε_r=50)四层结构。通过改变肿瘤半径(2-10mm)和深度(10-30mm)进行SAR分析，发现4mm肿瘤即可引起明显反射系数偏移(-15dB@7GHz)，证实传感器对早期微小肿瘤的检测灵敏度。

Antenna Sensor Fabrication and Measurements

图10-11展示实物测试：在多探头暗室中测得4-6GHz辐射图案，近场暗室完成6-9GHz测试。实测带宽(4.67-9.07GHz)与仿真吻合，方向图显示稳定端射特性，交叉极化比优于20dB。与健康组织相比，恶性模型在6.5GHz处产生显著反射系数差异(Δ|S11|>8dB)。

Conclusion

本研究首创将多层超表面与CPW馈电结合，开发的传感器兼具0.68λ₀×0.68λ₀紧凑尺寸和64%相对带宽，其平行板电容结构突破传统MS天线尺寸限制。通过乳腺模型验证，该传感器可检测小至2mm的肿瘤，为乳腺癌早期诊断提供新型微波成像解决方案。