Ανάλυση Και Ανάπτυξη Κεραιών Για Μικροκυματικές Και Thz Βιοϊατρικές Εφαρμογές

Abstract

Πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές που σχετίζονται με τη διαγνωστική και θεραπευτική ιατρική βασίζονται στην εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαφόρων συχνοτήτων, όπως είναι τα μικροκύματα και η THz ακτινοβολία. H μικροκυματική ακτινοβολία προσφέρει τη δυνατότητα απεικόνισης των βιολογικών ιστών μέσω του χαρακτηρισμού των διηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα THz συχνοτήτων όταν αλληλεπιδρούν με μεγάλα βιομόρια και πρωτεΐνες δημιουργείται μία χαρακτηριστική φασματική απόκριση, «αποτύπωμα», που επιτρέπει την ταυτοποίησή τους. Συνεπώς, η ανάπτυξη κατάλληλων κεραιών αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για τη μελλοντική κλινική εφαρμογή των τεχνικών αυτών. Σε αυτό το πλαίσιο, το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η σχεδίαση, ανάπτυξη και μέτρηση επίπεδων κεραιών για βιοϊατρικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, όσων αφορά το μικροκυματικό φάσμα συχνοτήτων, αναπτύσσονται πρωτότυπες ομοεπίπεδες κεραίες για απεικόνιση μαστού και εγκεφάλου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται THz επίπεδες κεραίες με ενισχυμένο κέρδος και κατευθυντικότητα για φασματοσκοπία βιομορίων. Η σχεδίαση των ομοεπίπεδων κεραιών, των οποίων η γεωμετρία προκύπτει από επικαλυπτόμενες ελλείψεις, βασίζεται σε τεχνικές που επιτρέπουν τη λειτουργία τους σε διάφορα διαστήματα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, 1 - 9 GHz, ενώ ταυτόχρονα διεγείρονται χαμηλές συχνότητες διατηρώντας το μικρό μέγεθος των κεραιών. Οι δύο κεραίες εξετάζονται κατά την ακτινοβόληση σε ομοιώμα μαστού και εγκεφάλου. Επιπλέον, αναπτύσσεται στρώμα ματαϋλικού, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό προσαρμογής μεταξύ των κεραιών και του ιστού. Τέλος, η μέτρηση της ομοεπίπεδης κεραίας από τρεις επικαλυπτόμενες ελλείψεις επαληθεύει την αποτελεσματικότητα της κεραίας για τη χρησιμοποίησή της στις πιο πάνω εφαρμογές.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, μελετώνται THz επίπεδες κεραίες, παπιγιόν και τετραγωνικές, σε υπόστρωμα από τυπωμένες μήτρες συντονιστών δακτυλίου με διάκενο (split-ring resonators, SRRs). Η καινοτομία των σχεδίων έγκειται στο υπόστρωμα μεταϋλικού, το οποίο βελτιώνει τα χαρακτηριστικά των κεραιών σε συχνότητες 900 - 1100 GHz. Για αυτό το σκοπό, εξετάζονται πρωτότυπα σχέδια για υποστρώματα με μήτρες από SRRs και η επίδρασή τους στις επίπεδες THz κεραίες. Για επιβεβαίωση των βασικών αρχών σχεδίασης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε κλίμακα της τετραγωνικής κεραίας σε υπόστρωμα με απλούς συντονιστές με διάκενο ενισχύοντας την υπόθεση ότι η χρήση του μεταϋλικού ενισχύει την απόδοση της κεραίας.