一种基于谐振器的柔性天线，用于通过微波辐射测量技术实现无创的深脑温度检测 Golap Kanti Dey, Mohammad Vaseem, Natalia K. Nikolova, Atif Shamim, Chih-Hung Chen

《Sensors》：A Resonator-Based Flexible Antenna for Non-Invasive Deep Brain Temperature Sensing with Microwave Radiometry Golap Kanti Dey, Mohammad Vaseem, Natalia K. Nikolova, Atif Shamim and Chih-Hung Chen

　　摘要：我们提出了一种圆形互补分裂环谐振器（CCSRR）柔性天线，该天线工作在1.4 GHz的射电天文学安静频段。该天线旨在用于婴儿头部的微波非侵入式脑温度测量，以辅助治疗缺氧-缺血性脑病（HIE）和创伤性脑损伤（TBI）的低温疗法。这种受超材料启发的天线设计在具有生物相容性聚二甲基硅氧烷（PDMS）保护性覆盖层的柔性Kapton基板上。为了测量脑温度，柔性天线直接放置在头皮上，以收集来自下层组织的热噪声功率。接收到的热功率将被传输到敏感的微波辐射计。CCSRR天线在1.4 GHz频率下表现出尖锐的频率选择性，具有固有的滤波能力、强的场限制以及出色的外部电磁干扰和热噪声抑制效果。为了更贴近实际应用场景，最初以平面多层配置设计的CCSRR天线在各种弯曲配置（圆柱形和球形）下进行了研究，弯曲半径为55毫米。结果表明，在弯曲条件下性能稳定。在所需频段内，模拟结果与实际测量结果之间有很好的一致性。

1. 引言
生物医学传感和成像[1,2,3,4,5]是现代医疗保健的重要组成部分，有助于诊断和监测各种医疗状况。常见的成像方式如磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和超声波能够提供高分辨率的深层身体图像，在组织类型、穿透能力和对组织病理的敏感性方面各具优势。然而，这些方法都不适合长期监测，因为CT会暴露于电离辐射，MRI成本高昂，设备体积庞大，超声波需要操作者特定条件，而CT和MRI也无法长时间提供患者舒适度。另一方面，新兴的微波成像和传感生物医学技术利用非电离电磁（EM）谱来表征组织特性，能够检测肿瘤、脑损伤、异常血糖水平等异常[6,7,8,9,10]。由于设备成本相对较低、体积小巧，以及柔性基板、天线和电子元件的出现，这些技术在医学诊断方面具有巨大潜力。天线技术在射频（RF）、微波和毫米波生物医学成像和传感中起着核心作用。材料科学的最新进展使得生物医学天线变得更小、更轻便，更适合可穿戴和植入式设备。人体天线可以分为体表、体外和体内三类[11]，所有这些类型都越来越依赖于柔性电子元件[12]来有效运行。柔性电子系统在生物医学成像和传感中提供了独特的能力，包括极轻的重量、生物相容性和对曲面的优异适应性。柔性天线正在被广泛研究，以提高测量精度、重复性和患者舒适度[13,14,15,16]。已经提出了一种16元素柔性天线阵列[17]，用于基于微波的乳腺癌检测。该阵列包括单极化和双极化天线（单极子和螺旋形），尺寸为20毫米×20毫米，采用50微米Kapton聚酰亚胺基板，以确保在2 GHz至4 GHz频段内的灵活性、轻便性和适应性。还报道了一种宽带柔性蜿蜒线天线阵列[18]，用于可穿戴头部成像系统。该天线使用4毫米厚的室温硫化（RTV）硅胶基板制造，在0.45–3.6 GHz的宽频率范围内有效工作，其反射系数|S11|小于-10 dB。还报道了一种低轮廓柔性MIMO天线阵列（2×2），用于6 GHz以下的ISM频段（5–6.6 GHz），适用于无线体域网络和生物医学遥测设备。总体而言，与刚性天线相比，柔性天线在生物医学和医疗应用中表现出有效性和显著优势，因为它们具有更好的适应性和患者舒适度。

在过去的三十年中，由于缺乏有效的非侵入式解决方案，深层身体温度测量已成为研究的主要焦点[20,21,22,23]。该方法依赖于测量人体自然发出的热噪声功率（通常在低GHz频率范围内），这是非侵入式温度估计的基础。微波天线被设计用来捕获这种热噪声功率，根据Nyquist–Johnson方程，热噪声功率与组织绝对亮度温度T成正比，即??=??????Δ???（1），其中P是组织发出的噪声功率，k是玻尔兹曼常数（k ≈ 1.38 × 10?23 J/K），?f是接收器的带宽。需要注意的是，天线仅收集热功率，然后由辐射计测量，并通过一系列系统去嵌入步骤转换为温度读数，这些步骤考虑了各种系统参数，如：（i）天线反射系数、物理温度和效率，（ii）天线与辐射计之间的连接效率，（iii）插入损耗、等效输入噪声温度、噪声系数和辐射计系统中组件的增益变化，以及（iv）来自环境的电磁干扰（EMI）的抑制[24,25,26,27]。然而，据我们所知，所有报道的系统都使用刚性天线，这些天线在适应复杂身体表面和患者运动方面存在局限性。结果是患者不适和皮肤接触不良，这可能会影响测量精度和监测效果[28]。特别是当刚性天线结构无法实现均匀接触时，空气间隙会降低来自组织的电磁功率耦合，导致反射不匹配，增加对EMI的敏感性，并允许外部噪声干扰被检测的深层身体组织的热辐射。最终，这会降低测量灵敏度，尤其是对深层身体组织的热辐射。表1提供了柔性天线和刚性天线之间的详细比较。

表1. 提出的柔性天线与刚性天线在深层身体辐射测温方面的比较。连续监测深层脑温度是生物医学温度测量系统最重要的应用之一。为了使治疗性脑低温疗法有效，准确测量深层脑温度至关重要。MRI、磁共振光谱和红外热成像[29,30,31,32,33]已被用于非侵入式监测大脑内的温度变化。然而，MRI设备不适合长期监测，而红外热成像的评估深度有限。微波辐射测量（MWR）[24,25,34,35]提供了一种替代的非侵入式方法，可以有效克服这些限制。MWR在多个医疗应用中显示出潜力，包括乳腺癌检测[36,37,38,39]、体内温度测量[26,40,41,42,43]和监测棕色脂肪代谢[44]。据我们所知，迄今为止，尚未有使用柔性天线进行深层脑温度监测的非侵入式解决方案的报道，包括在这里讨论的婴儿头部在低温治疗期间的情况。为了解决这一空白，这里提出了一种圆形互补分裂环谐振器（CCSRR）柔性天线，可以直接接触头皮。然而，由于微波辐射水平极低（根据公式（1），在37°C的人体温度下约为4.3 × 10?15 W/MHz），因此测量深层脑温度具有挑战性。CCSRR结构[45,46,47,48,49,50,51,52]是一种优秀的窄带单向天线候选者，能够在抑制带外EMI的同时从组织中收集最大的热噪声功率。然后，功率被传输到敏感的噪声功率接收器，例如微波辐射计[53]；见图1。图1. 脑温度监测系统的示意图。本工作的新颖性和主要贡献总结如下：与之前报道的刚性辐射计天线解决方案不同，本研究建立了符合人体形状的柔性天线的设计指南，包括频率和带宽选择，以及合适的生物相容性柔性基板、覆盖层和导电材料的选择。使用文献中报告的几何和介电特性开发了一个多层EM婴儿头部模型，以便在直接接触头皮时准确评估天线性能。设计并优化了一种新型紧凑的柔性CCSRR天线，以实现弯曲条件下的稳定阻抗匹配、出色的近场方向性（NFD）、强的近场限制以及在弯曲情况下的改进的电磁耦合，用于深层脑温度测量。最后，通过在圆柱形组织等效模型和人类前额上的实验验证，证明了所提出的薄柔性天线的有效性，与仿真结果非常吻合。

2. 设计流程
柔性天线的设计流程（如图2所示）从选择频段开始，然后根据导电性、介电常数、损耗 tangent和生物相容性选择合适的柔性导电材料和基板材料。图2. 柔性天线的设计工作流程。通过全波EM仿真优化天线，天线直接放置在真实的多层数值头部模型上。优化基于性能指标，如阻抗匹配、近场方向性和在发射模式下最大穿透时的近场聚焦。由于互易性，这些指标也描述了天线在接收模式下的性能，这在被动噪声功率测量系统中是相关的。设计目标是在1.4 GHz射电天文学频段（1.400–1.427 GHz）内实现超过-20 dB的阻抗匹配，至少150 MHz的阻抗带宽（-10 dB水平，以便捕获大约10?13 W的热噪声功率），以及在各种弯曲条件下的近场方向性（如[54,55]所定义的）超过99%，以有效抑制外部EMI和热辐射。此外，设计还旨在提高发射模式下的功率密度与深度的关系，这通过互易性意味着能够捕获来自深层脑组织的热功率。

2.1. 工作频率的选择
选择工作频率对于在空间分辨率、穿透深度和避免EMI之间取得平衡至关重要。在仔细考虑了射电天文学频段和工业、科学和医疗（ISM）频段[56,57]之后，选择了1.4 GHz射电天文学频段。选择这个频率的原因有几个。首先，低GHz频段的微波辐射具有比毫米波频率更好的组织穿透能力。它可以穿透头皮、颅骨和脑脊液（CSF），深入大脑组织内部，实现几厘米深度的温度测量。同时，可以在组织内部实现厘米级的空间分辨率。其次，射电天文学和空间研究频段不受人为干扰的影响；因此，它们提供了一个“安静”的环境，没有工业和通信EMI。这在脑温度监测中很重要，因为组织发出的热噪声功率较弱。最后，选定的1.4 GHz频段与内部微波辐射计原型兼容。我们强调，尽管受保护的1.4 GHz频段的带宽限制为27 MHz，但天线故意设计为具有更宽的10 dB阻抗带宽（约150 MHz），以确保微波辐射计有足够的热噪声功率，从而提高温度灵敏度。由于更大的带宽可能会增加系统对EMI的敏感性，因此实现超过99%的近场方向性（NFD）也很重要。

2.2. 导电元件的选择
像铜和银纳米粒子墨水这样的高导电材料广泛用于柔性天线。为了确保在机械应变和变形下的稳定性能，还开发了各种可拉伸导电材料，如银纳米线（AGNWs）、基于碳纳米管的聚合物和液态金属。根据表2，选择银作为所提出的柔性天线的导电材料。尽管铜的体积导电性略高，但银具有更好的热导电性和抗氧化性，这对于可穿戴传感器至关重要。另一方面，与导电聚合物、纳米复合材料和液态金属相比，银在弯曲下保持稳定的导电性，并且能够可靠地粘附在柔性基板上。银也易于获得，适合低成本柔性天线制造工艺。

2.3. 柔性基板的选择
对于生物医学应用，柔性基板材料必须具有生物相容性、与沉积的导电材料热兼容性以及低损耗。用于柔性天线的基板材料列在表3中。在这项研究中，Kapton聚酰亚胺被用作基底，而一层薄的PDMS层作为所提出的柔性天线的顶层。总体而言，Kapton和PDMS的组合在天线的电气特性（如阻抗匹配和在弯曲下的稳定共振行为）、柔韧性和用户舒适性之间取得了平衡。在所提出的设计中，Kapton有助于提高机械强度和结构完整性，而PDMS除了减少天线与皮肤表面之间的空气间隙导致的不匹配外，还增强了贴合性和生物相容性。表3列出了用于柔性天线制造的基底材料清单。

2.4. 婴儿头部的电磁建模
为了准确模拟天线，必须通过一个真实的数字头部模型来正确表示天线与头部组织的电磁相互作用。当天线与头皮直接接触时，这一点尤为重要。婴儿头部模型的主要组织层包括头皮、颅骨、脑脊液（CSF）和大脑。电磁场的行为取决于组织的介电常数、介电常数和导电率（或损耗正切），这些参数会随频率变化。此外，头皮、颅骨、脑脊液和大脑组织的厚度也必须正确反映婴儿头部的实际情况。最后，在天线弯曲情况下的电磁建模中，头部直径的选择也很重要。头部大小决定了空气-头皮界面的曲率，这会影响颅内结构的功率分布。在这项工作中，选择了55毫米的头部半径，这对应于新生儿平均头围约35厘米[67,68]。

在这项研究中，开发了一个四层头部模型，包括头皮、颅骨、脑脊液和大脑组织。这些组织的介电常数和导电率值是根据1.4 GHz射电天文学频段的中心频率1.413 GHz从已建立的数据库中计算得出的[69,70]，这些属性作为频率的函数提供。层厚度是根据报告的解剖测量结果选择的[71,72,73,74]。所使用的组织电磁属性和厚度在表4中进行了总结。图3显示了球形四层婴儿头部模型的横截面视图。头皮构成了头部模型的外层，其次是颅骨、脑脊液和大脑组织。

2.5. 柔性天线几何结构和多层堆叠
尽管可以通过使用高介电常数的基底来实现天线的微型化，但这种方法受到缺乏高介电常数且具有生物相容性的材料的限制。为了克服这一限制并保持近场传感的高灵敏度，提出了一种受超材料启发的CCSRR天线，用于在四层组织模型上操作。在背面使用了一个半径为30毫米的完整接地平面，以确保对外部电磁干扰（EMI）的屏蔽并改善单向辐射。设计的CCSRR结构在1.4 GHz射电天文学频段中心具有高Q因子，适用于窄带操作。CCSRR结构有效地表现为共振LC电路[46]。圆形槽的几何形状增加了有效电流路径，从而促进了电感行为，而分环间隙则在相邻部分之间引入了电容耦合。这些等效的电感和电容组件的相互作用建立了局部共振模式，实现了高Q值操作。这种共振机制使得天线尺寸紧凑，并增强了场限制，从而提高了辐射测量的适用性。与传统贴片、槽形或螺旋天线相比，CCSRR结构在给定工作频率下提供了更好的场限制和更小的物理占用面积。此外，圆形几何形状确保了旋转对称性以及在弯曲时的稳定共振，这对于在婴儿头部等弯曲体表上的柔性贴合部署非常重要。

天线由两个金属化层和两个介电层（基底和顶层）组成。辐射CCSRR贴片（面向组织）的金属化层（银）如图4所示。35微米厚的CCSRR贴片位于125微米厚的柔性Kapton基底上，该基底的相对介电常数为3.5，损耗正切为0.007。在其周围添加了一层35微米厚的PDMS层，以消除Kapton基底和PDMS顶层之间的空气间隙；这也显示在图5的堆叠图中。薄薄的生物相容性PDMS顶层（相对介电常数为2.55，损耗正切为0.01）厚度为15微米，它作为天线和头皮之间的绝缘层。它保护金属贴片免受氧化和腐蚀，确保在直接接触皮肤时具有耐用性和一致的性能。顶层的厚度经过调整，以实现天线与组织介质之间的平滑阻抗过渡，从而改善了功率耦合。天线结构背面的完整接地平面也使用银制成，同轴连接器放置在此处。接地平面明显大于CCSRR贴片，确保了对外部EMI的适当屏蔽和来自组织的单向接收。图4及其标题详细说明了CCSRR结构在1.413 GHz共振时的优化尺寸。图5中的多层堆叠的横截面视图也附有相应的厚度值。整体天线性能主要受谐振器半径、槽宽、间隙间距、基底厚度和接地平面大小的控制，这些参数决定了有效的电感-电容行为和共振特性。这些参数影响工作频率、共振选择性和场限制。

3. 结果
为了评估所设计的基于CCSRR的柔性天线的性能，首先在它与平面四层数字头部模型直接接触的情况下进行了模拟，如图6所示。组织层被赋予了表4中列出的介电参数。由于实际上天线还必须贴合婴儿头部的弯曲表面，因此也研究了弯曲效应，因为它们会影响共振频率、阻抗带宽、近场分布（NFD）和天线的近场特性。研究了四种弯曲情况，其中曲率半径始终为55毫米，与新生儿头部的半径相匹配。第一种研究的圆柱形弯曲几何形状（围绕x轴）如图7所示。第二种圆柱形弯曲（围绕y轴）如图8所示。最后，球形弯曲情况如图9所示。

3.1. S参数响应
所设计天线的电磁性能使用CST Microwave Studio中的有限元方法（FEM）模拟器进行评估[75]。天线针对f0 = 1.413 GHz时的最小反射系数进行了优化。图10显示了加载了平面组织模型的CCSRR天线的反射系数|S11|，在f0 = 1.413 GHz时显示出-23 dB的满意值。图11的结果确认，在所有四种情况下，都实现了从组织介质到天线端口的有效功率耦合。所有弯曲配置下的阻抗匹配带宽和中心频率总结在表5中。在所有情况下，柔性天线的共振频率接近1.413 GHz；其反射系数在整个1.4 GHz射电天文学频段内始终低于-20 dB，阻抗带宽保持在约160 MHz到约170 MHz的范围内（在-10 dB水平）。表5显示了在平面和弯曲配置下的天线共振特性。

3.2. 近场方向性
通过其近场方向性（NFD）Dnf来评估天线抑制外部EMI的有效性。在发射（Tx）模式下，Nfd是耦合到组织中的功率??tsurad与所有方向上总辐射功率??rad的比率，即??nf =??tsurad/??rad [54,55]。根据互易性，在接收模式下，Dnf是从组织接收到的功率与总接收功率的比率。功率计算使用了一个包围整个天线的矩形盒子，包括同轴连接器。计算??tsurad的盒子前面与顶层和头皮之间的界面重叠。通过表面积分Poynting矢量的实部分量来计算每个面上辐射的功率。所提出的天线在中心频率下的NFD超过99.94%，即只有0.06%的总接收功率来自外部（组织外）源，这些是潜在的EMI源。Nfd对弯曲相对不敏感。

3.3. 所提出的CCSRR天线在平面模型中的功率流分布
图13展示了所提出的CCSRR天线在平面多层结构中传播时的横向近场分布。请注意，在模拟中，天线处于Tx模式。图表显示了天线如何从基底开始将功率耦合到不同层，并在脑组织层内部5毫米处结束。根据互易性，这些分布也描述了辐射测量系统的灵敏度轮廓。具体来说，图13显示了在不同深度的横向（沿x和y方向）平面上的Poynting矢量幅度分布。我们观察到，随着天线深入深层组织区域，场保持高度集中，特别是在大脑层内。这表明所设计的天线可以从更深处的颅内区域捕获可测量的电磁功率，这是局部辐射温度测量的前提条件。

3.4. 所提出的CCSRR天线在平面模型中的E场分布
图14显示了平面配置中CCSRR天线的E场深度分布。在天线下方的头皮、颅骨和脑脊液层中存在一个集中的高场区域，具有良好的近场聚焦。随着场传播到脑组织中，场强度几乎呈指数级衰减，这是由于介质的损耗较大。观察到的场分布具有有限的横向扩散。通过应用互易定理并使用模拟的深度分布，我们可以估计所设计的柔性天线能够捕获来自最深约45毫米处的热辐射。模拟的场强从头皮处的约50 dB(V/m)衰减到45毫米处的约10 dB(V/m)，相当于约40 dB的衰减。在37°C的温度下，带宽（BW）约为160 MHz时，大脑组织发出的热功率约为10^-13 W，根据公式（1）。由于信号路径通过组织约45毫米的衰减约为40 dB，到达辐射计输入的功率水平约为10^-17 W。这种功率水平接近先进辐射计的温度灵敏度（小于0.1 °K）[76,77]，并且与现代微波辐射计的检测限[41,43,78]一致，当积分时间在几秒量级时。这证实了当所提出的柔性天线与敏感的微波辐射计结合使用时，实际温度传感的可行性。图14显示了在1.413 GHz频率下，xz平面内平面模型的E场幅度分布（以分贝为单位）。3.5. 圆柱形弯曲下的E场分布为了观察弯曲对场深度分布的影响，图15报告了y轴圆柱形弯曲情况下的E场幅度分布。E场仍然强烈集中在天线下方，并且与平面情况类似，主要沿着法线方向传播到组织层中。大脑内部的深度剖面显示出与深度几乎成指数的衰减，这证实了弯曲不会降低穿透性能。例如，从天线中心到大约30毫米的深度，平面和圆柱形情况下的场强都保持在约29 dB(V/m)的水平，这比头皮顶部的场强下降了约20 dB。图15显示了在1.413 GHz频率下，xz平面内y轴圆柱形弯曲情况下的E场幅度分布（以分贝为单位）。3.6. 球形弯曲下的E场分布曲率半径为55毫米的球形弯曲情况下的深度分布在图16中显示。在头皮、颅骨和脑脊液层形成了一个强烈且局部的场区域。在大约30毫米的深度，场强保持在约29 dB(V/m)，与在相同组织加载条件下的平面和圆柱形弯曲情况相似。在接近大脑内部的约45毫米深度，场强比天线与头皮之间的界面下降了约45 dB(V/m)。图16显示了在1.413 GHz频率下，xz平面内球形弯曲情况下的E场幅度分布（以分贝为单位）。3.7. 功率密度与深度的比较分析柔性天线设计旨在捕获来自大脑最深区域的热辐射。从天线-皮肤界面测量的平均功率密度随深度的变化，提供了这种能力的定量估计。功率通量密度是在任何深度位置上对一个区域进行平均，而不是沿z轴取单个点。在1.413 GHz的仿真环境中定义了一个功率流监测器，以提取不同深度的多个z平面上的平均功率通量密度，每个平面覆盖天线下方的60毫米×60毫米的正方形区域。在这个模型中，脑组织从皮肤表面开始，因此6.5毫米到大约45毫米的深度定义了感兴趣的区域。图17显示了平面和三种弯曲情况下的平均功率密度与深度的关系。总体而言，所有四种配置都显示出随着深度增加而接近指数的功率衰减。平面结构在20毫米深度之后的功率值最低，而球形结构在大脑最深部分保持了最高的功率水平。在40毫米深度时，圆柱形和球形弯曲配置的功率密度比平面情况高出约3 dB。这种改进随着深度的增加而持续。根据互易性，这种改进表明弯曲的曲率集中了天线的感应区域，并增强了来自深层组织的电磁功率耦合。这也意味着当天线围绕头部弯曲时，对核心脑区域的热辐射具有更好的灵敏度。图17显示了四种研究情况下平均功率密度与深度的比较分析。3.8. 前额安装的S参数表征所提出的基于CCSRR的柔性天线是使用低成本的丝网印刷技术制造的。设计是使用激光切割的PI胶带基掩模创建的，如[79]中所述。掩模被附着在一个空白网格屏幕（120网格计数）上，并使用专业印刷系统（AUREL screen printer 900PA，AUREL S.p.A.，Via Foro dei Tigli，4，47015 Modigliana FC，意大利）进行丝网印刷。CCSRR和接地平面以300毫米每秒的印刷速度使用商用银浆（DM-SIP-3072S，Dycotech，Dycotec Materials Ltd Unit 6，Srainer Road Porte Marsh Industrial Estate Calne SN11 9PX Wiltshire，英国）进行丝网印刷，然后在120°C下退火1小时以达到1.2 × 10^7 Sm^-1的导电性。PDMS基油墨按照[80]中的描述进行配制，并以100毫米每秒的印刷速度印刷到指定区域，随后在真空烤箱中以100°C干燥30分钟。最后，通过填充进行连接，并使用导电银环氧树脂（DM-SAS-10030-SYP，Dycotec Materials Ltd Unit 6，Srainer Road Porte Marsh Industrial Estate Calne，SN11 9PX Wiltshire，英国）安装SMA连接器以用于测量目的。天线制造完成后，直接在成人前额上进行测量，以评估其在实际身体条件下的阻抗匹配情况；见图18。尽管预期的应用目标是婴儿脑温传感，但成人和婴儿头部几何形状和介电特性的差异主要影响穿透深度，而不是天线的基本共振行为，因此影响其阻抗匹配。因此，成人前额的测量提供了天线阻抗匹配及其贴合性能的有效初步验证。S11参数测量是使用矢量网络分析仪（VNA）[81]进行的。使用电子校准模块进行单端口VNA校准。图18显示了在志愿者前额上使用制造的柔性CCSRR天线的测量设置。3.9. 圆柱形弯曲特性和脑组织等效体模型评估天线在圆柱形弯曲下的性能是使用一个内径为55毫米的定制圆柱形模型进行的。该模型是使用市售的微波吸收材料（JCS-9）[82]制成的，厚度为2毫米，包裹在一个内径为52毫米的圆柱形塑料容器上，容器内填充了脑组织等效液体。容器的壁厚为1毫米。液体是使用异丙醇和蒸馏水的混合物制备的，以达到表4中报告的目标相对介电常数。应用了线性体积分数混合模型，其中液体的有效复介电常数??L表示为??L=(1???)???A+?????W（2），其中??是水的体积分数，??A和??W分别是异丙醇和水的相对介电常数。使用Keysight N1501A介电探头[83]在1.4 GHz下测量的异丙醇和水的复介电常数值分别为26.83 ? i10.31和75.12 ? i5.85。使用??A= 27和??W= 75，以及目标介电常数??L = 47，计算出蒸馏水的体积分数为?? = 0.417。基于这个结果，通过混合85毫升异丙醇和65毫升蒸馏水制备了总共150毫升的液体。在缩放总体积以完全填充圆柱形容器时保持相同的体积比，确保在整个测量过程中模型的介电特性一致。使用介电探头套件测量并验证了制备的液体模型的介电特性，如图19所示。制备的液体模型的复介电常数在1.4 GHz下为47.41 ? i10.52。然后将柔性天线沿着制备的圆柱形模型进行贴合弯曲；见图20，并进行S11参数测量，以评估在圆柱形弯曲和身体条件下的阻抗稳定性。图19显示了使用Keysight N1501A介电探头套件连接到VNA[84]时，对制备的脑组织等效液体的介电特性进行测量的设置。图20显示了在S11测量期间，对半径为55毫米的圆柱形模型上进行的柔性CCSRR基天线的贴合弯曲测量。3.10. 实验S参数表征图21显示了在平面和x轴圆柱形弯曲配置下柔性天线的测量和模拟反射系数（S11），以及在人类前额和圆柱形模型配置上进行的测量。模拟和测量的|S11|响应在共振频率下非常吻合，只有微小差异。在中心频率1.4 GHz时，前额安装配置的测量S11达到大约?38 dB，圆柱形模型配置的测量S11达到大约?30 dB，表明两种情况下的阻抗匹配都非常优秀。这两个测量响应在1.413 GHz的共振频率下也非常吻合，仅由于曲率和组织加载的变化而略有差异。总体而言，测量结果确认了在实际身体条件和受控圆柱形模型条件下的稳定阻抗行为。图21显示了设计的基于CCSRR的柔性天线的测量和模拟|S11|响应的比较。4. 讨论与结论本文报道了一种新型的微型化和生物相容的1.4 GHz CCSRR柔性天线，用于婴儿头部的非侵入式脑温传感，作为微波辐射计的传感器。它在1.4 GHz频带内展示了出色的阻抗匹配，无论是在模拟还是实验测量中。屏蔽接地平面用于抑制外部电磁干扰（EMI），实现了超过99.94%的近场方向性。通过对平均功率密度与深度的分析，通过互易性证实了在弯曲情况下热噪声功率的捕获得到了改善，与平面配置相比提高了超过3 dB。结果表明对深达约4.5厘米的组织发出的热辐射具有敏感性。定量分析支持了准确温度估计的可行性，表明接收到的热噪声功率（约10^-17 W）位于微波辐射计的可检测范围内。然而，最终的温度分辨率将取决于系统级参数，如接收器灵敏度、带宽和积分时间。总体而言，出色的阻抗匹配、近场方向性和感应深度，以及贴合性、生物相容性和轻量化等特性，解决了传统刚性天线的关键限制，并有望通过敏感的微波辐射计实现准确的深层脑温测量。这一进步通过提高监测和治疗能力，解决了婴儿床边护理中的重大问题。未来的研究将集中在使用具有受控温度条件的婴儿头部多层模型的测量上。深度剖析需要多频辐射测量[26,85,86]。未来研究的一个重要方向将是基于所报告的天线结构开发多频微波辐射测量系统，以实现深度依赖的温度分布重建。未来的工作还将涉及开发CCSRR天线结构的严格集总等效电路模型，这将允许快速重新设计天线以在其他频段操作，并有助于将这种单天线设计扩展为多天线传感结构。