Antenna and measurement system for microwave imaging of breast tumors

Meme kanseri tanı ve teşhis sitemlerinin gerektirdiği antenler özel olarak tasarlanmalıdır. İlk olarak, tasarlanan antenin olabildiğince yüksek bir kazanca sahip olması gerekmektedir. Bu yüksek kazanç sayesinde antenin arka lob güç seviyesi-önlob güç seviyesi oranı (back to front ratio) düşük olacak ve antenin radyasyon hüzmesinin 3dB genişliği (3dB beamwidth) azalacaktır. Düşük arka lob güç seviyesi-önlob güç seviyesi ve küçük bir 3dB radyasyon hüzme genişliği, mikrodalga meme kanseri tanı ve teşhis sitemlerinde kullanılacak bu antenlerin yüksek bir sinyal-gürültü oranına sahip olmasına sebep olacaktır. Anten tasarımında ikinci bir kıstas ise antenin boyutlarının olabildiğince küçük tasarlanmasıdır. Bu sıkı tasarımı ile mikrodalga meme görüntülemesinde kullanılacak bu antenlerin saçılan alanı örnekleme oranının olabildiğince yüksek olması hedeflenmektedir. Ayrıca, mikrodalga görüntüleme yöntemlerinin tamamı belirli bir ön işlem aşaması gerektirir. Çünkü mikrodalga görüntüleme yöntemlerinin giriş olarak kabul ettiği enformasyon saçılan elektrik alandır, lakin mikrodalga görüntüleme sistemlerinde kullanılan vektörel devre analizörleri (vector network analyzer) saçılma parametreleri (scattering parameter) ölçebilmektedir. Saçılma parametrelerinin elektrik alana çevrilmesi ise belirli kalibrasyon yöntemleri ile olur. Bu kalibrasyon yöntemlerinin ekseriyeti ise tek polarizasyonlu bir gelen alan için tasarlanmıştır. Bundan dolayıdır ki, mikrodalga meme kanseri tanı ve teşhis sitemlerinde kullanılacak antenlerin olabildiğince doğrusal polarizasyonlu olması hedeflenir. Son olarak ve en önemli şart olarak, mikrodalga meme kanseri tanı ve teşhis sitemlerinde kullanılacak antenlerin giriş empedansı band genişliğinin mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Bu antenlerin böyle tasarlanmasının arkasında yatan sebep ise ters saçılma problemlerinin hemen hemen hepsinin kötü koşullanmış (ill posed) olması ve bu kötü koşullanmayı aşmanın tek yolunun ise enformasyon miktarının arttırılması olmasıdır. Şu açık bir gerçektir ki herhangi bir görüntüleme sisteminde toplanan veriyi arttırmanın en kolay yolu saçılan alanı daha çok frekansta örneklemektir. Sonuç olarak, günümüzde kullanılan mikrodalga meme kanseri tanı ve teşhis sitemlerinde kullanılacak antenlerin olabildiğince yüksek kazançlı, mümkün olduğunca doğrusal polarize, geniş bantlı olamsı ve sıkı bir tasarıma sahip olamsı beklenmektedir. Bu bağlamda, bu tezin ilk katkısı, metal bir kavite ile arkalanmış bir Vivaldi antenin (Cavity backed Vivaldi antenna) mikrodalga meme ölçümleri için tasarlanmış olmasıdır. Antenin tasarımı için gereken parametrelerinin tamamı dış ortamın hava olduğu durum için tasarlanmıştır. Çünkü bu antenlerin mekanik bir tarayıcı içinde (boş uzayda) kullanılması hedeflenmektedir. Tasarlanan kavite ile arkalanmış Vivaldi antenin yararlığını gösterebilmek amacıyla çeşitli meme fantomları ile saçılan alan ölçümü yapılmıştır. Bu tezin ikinci katkısı ise, eni bir oluklu Vivaldi anten (Corrugated Vivaldi antenna) yapısının sunuluyor olmasıdır. Antenin kenarında açılan olukların Vivaldi tipi antenlerin verimini azaltan kenar akımlarını azalttığı gözlenmiştir. Açılan bu oluklar sayesinde elde edilen oluklu Vivaldi antenin yukarıda bahsettiğimiz yüksek kazanç, küçük 3dB radyasyon hüzmesi genişliği, düşük arka lob güç seviyesi-ön lob güç seviyesi oranına sahip olduğu benzetimlerde gözlenmiştir. Bu gözlemlerin doğrulaması için tasarlana oluklu Vivaldi antenin tüm parametreleri ayrıntılı bir biçimde ölçümlerle verilmiştir. Üstüne üstlük, tasarlanan oluklu Vivaldi anten ile aynı boyutlardaki jenerik bir Vivaldi antenin mikrodalga görüntüleme performansları deneysel olarak karşılaştırılmıştır. Bu amaçla İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fak. Yansımasız odasında çeşitli düzenekler kurulup bu düzeneklerin her biri için mikrodalga alan ölçümleri hem jenerik Vivaldi hem de oluklu Vivaldi ile yapılmıştır. Yapılmış olan bu ölçümler, yeni önerilen bir nitel mikrodalga görüntüleme algoritması olan saçılma parametresi bazlı doğrusal örnekleme yönteminde kullanılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar göstermiştir ki önerilen anten tasarımı mikrodalga görüntüleme jenerik bir Vivaldi antene göre çok daha etkilidir.