مقایسه عملکرد دو آنتن تراهرتز بر پایه ی ساختارهای نوری جهت تشخیص بافت سرطانی

محمد طولابی ¹ ( دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران )
مهدی خطیر ² ( دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران )
محمد ناصر مقدسی ³ ( دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران )
نسرین امیری ⁴ ( مدیر گروه مخابرات- واحد تهران جنوب )

تاریخ ارسال : 1402/12/28 تاریخ تایید : 1403/02/18

کلید واژه: آنتن, بلورهای نوری, بازتابنده دندانه ای, تراهرتز, طیف سنجی سرطان, فراسطح,

چکیده مقاله :

این مقاله مقایسه عملکرد بین دو آنتن ویوالدی با پهنای باند وسیع (بیش از 120درصد پهنای باند) در فرکانس 0/5 تا 2 تراهرتز و آنتن متناوب لگاریتمی با یک مشخصه دو باندی در فرکانس‌های 1/2 و 1/5 تراهرتز را برای تشخیص سرطان با آرایش جدید ویژه بلورهای نوری ، فراسطح و بازتابنده دندانه ای پیشنهاد می‌کند. در ساختار ویوالدی دیواره های بلورهای نوری در دو طرف آنتن اجرا می شوند تا یک سپر الکتریکی برای تمرکز انرژی برای افزایش بهره و جهت دهی آنتن و کاهش لوب جانبی ایجاد کنند. نسبت جلو به عقب (F/B) مشکل دیگری برای این آنتن است که در آن از عناصر دندانه ای به عنوان بازتابنده برای کاهش لوب پشتی آنتن استفاده می شود. این آنتن بازه فرکانسی 0/5 تا 2 تراهرتز را با حداکثر بهره 8/8 دسی بل پوشش می دهد. آنتن پیشنهادی برای تشخیص سرطان سینه و پوست که توسط مدل دیبای مرتبه دوم مدل‌سازی شده‌اند، استفاده می‌شود. در ساختار دوم از یک آنتن دندانه ای متناوب لگاریتمی به عنوان تشعشع کننده و از بلورهای نوری و فراسطح برای افزایش جهت دهی آنتن و کاهش نسبت جلو به عقب استفاده می‌شود. در این ساختار، فراسطح به شکل دیسک فرکتال طراحی شده است تا ویژگی دو باندی را نیز نشان دهد. حداکثر بهره آنتن به 11/5 دسی بل افزایش یافته و راندمان نزدیک به 90 درصد است. از مقادیر بازتاب و انتقال، پاسخ پالس، و تغییر فاز بافت های سالم و سرطانی برای تشخیص سرطان استفاده می شود.

چکیده انگلیسی :

This article proposes the design and performance comparison between two wideband Vivaldi antennas (more than 120% bandwidth) operating at 0.5-2 THz and a dual-band log-periodic antenna at 1.2 and 1.5 THz for cancer detection with novel arrangements of photonic crystals, metasurfaces, and grating reflectors. In the Vivaldi structure, the photonic crystal walls are implemented on both sides of the antenna to provide an electrical shield to focus energy for gain enhancement and antenna directivity as well as sidelobe reduction. The front-to-back ratio (F/B) is another issue for this antenna where toothed elements are used as reflectors to reduce the antenna's backlobe. This antenna covers the frequency range of 0.5-2 THz with a maximum gain of 8.8 dBi. The proposed antenna is used for breast and skin cancer detection modeled by a Debye 2nd order model. In the second structure, a log-periodic toothed antenna is used as the radiator along with photonic crystals and metasurfaces to improve antenna directivity and reduce the F/B ratio. In this structure, the metasurface is designed as a fractal disk to also exhibit dual-band characteristics. The maximum antenna gain is increased to 11.5 dBi with near 90% efficiency. Reflection and transmission values, pulse response, and phase change of healthy and cancerous tissues are used for cancer detection.

highlight:

• استفاده از بلورهای نوری و ترکیب آن با ساختار فراسطح به منظور تبدیل آنتن متناوب لگاریتمی به یک تشدیدکننده قوی و استفاده از ساختار به عنوان یک پروب
• معرفی ساختار جدیدی از آنتن­های ویوالدی با استفاده از بلورهای نوری و بازتابنده دندانه­ای با هدف ایجاد حفاظ و کاهش لوب­های جانبی و جهت­دهی بهتر
• ارائه الگوی تشخیص بافت سرطانی از بافت سالم، با استفاده از خروجی آنتن­ها جهت طراحی سیستم پردازش داده­ها
• استفاده ازآنتن­های جهتی، فراسطح و حفاظ، جهت ایجاد الگوی آنتن جهتی و تشخیص بافت سرطانی

منابع و مأخذ:

[1] Gilan, Maryam Shirzadian, Jalil Rashed-Mohassel, Mohammad Naser-Moghaddasi, and Mehdi Khatir. "Design of a wideband microstrip nanoantenna array." Optical and Quantum Electronics 51, no. 5 (2019): 1-9, doi: 10.1007/s11082-019-1852-6
[2] Kazemi, Fatemeh. "Dual band compact fractal THz antenna based on CRLH-TL and graphene loads." Optik 206 (2020): 164369, doi: 10.1016/j.ijleo.2020.164369
[3] Nejati, Ameneh, Ramezan Ali Sadeghzadeh, and Fatemeh Geran. "Effect of photonic crystal and frequency selective surface implementation on gain enhancement in the microstrip patch antenna at terahertz frequency." Physica B: Condensed Matter 449 (2014): 113-120, doi: 10.1016/j.physb.2014.05.014
[4] Hajiyat, Zahraa RM, Alyani Ismail, Aduwati Sali, and Mohd Nizar Hamidon. "Antenna in 6G wireless communication system: Specifications, challenges, and research directions." Optik 231 (2021): 166415, doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166415
[5] Tabatabaeian, Zahra Sadat. "Developing THz metasurface with Array rectangular slot with High Q-factor for early skin cancer detection." Optik (2022): 169400, doi: 10.1016/j.ijleo.2022.169400
[6] Ansha, K. K., and P. Abdulla. "Design of broadband circularly polarized THz antenna with stable radiation pattern for 6G communications." Optik 243 (2021): 167397, doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167397
[7] Sharma, Aditi, and Ghanshyam Singh. "Rectangular microstirp patch antenna design at THz frequency for short distance wireless communication systems." Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 30, no. 1 (2009): 1, doi: 10.1007/s10762-008-9416-z
[8] Sirmaci, Y. Denizhan, Cagdas K. Akin, and Cumali Sabah. "Fishnet based metamaterial loaded THz patch antenna." Optical and Quantum Electronics 48, no. 2 (2016): 168, doi: 10.1007/s11082-016-0449-6
[9] Khan, Md Abdul Kaium, Md Ibrahim Ullah, and Mohammad Abdul Alim. "High-gain and ultrawide-band graphene patch antenna with photonic crystal covering 96.48% of the terahertz band." Optik 227 (2021): 166056, doi: 10.1016/j.ijleo.2020.166056
[10] Yang, Lechen, Xueshun Shi, Kunfeng Chen, Kai Fu, and Baoshun Zhang. "Analysis of photonic crystal and multi-frequency terahertz microstrip patch antenna." Physica B: Condensed Matter 431 (2013): 11-14, doi: 10.1016/j.physb.2013.08.036
[11] Megahed, Amal, Ahmed Shaker, and Korany R. Mahmoud. "Optimal design of planar terahertz Yagi-Uda antenna using adaptive chaos optimization algorithm." Optik 191 (2019): 146-151, doi: 10.1016/j.ijleo.2019.05.103
[12] Wu, Yongle, Meijun Qu, Lingxiao Jiao, and Yuanan Liu. "Tunable terahertz filter-integrated quasi-Yagi antenna based on graphene." Plasmonics 12, no. 3 (2017): 811-817, doi: 10.1007/s11468-016-0328-9
[13] Gilan, Maryam Shirzadian, Jalil Rashed-Mohassel, Mohammad Naser-Moghaddasi, and Mehdi Khatir. "Log-Periodic Dipole Nanoantenna Array Based on Substrate Integrated Waveguide for Wireless Communications in Terahertz Band." Plasmonics 14, no. 6 (2019): 1955-1961, doi: 10.1007/s11468-019-00983-0
[14] Naghdehforushha, Seyed Arash, and Gholamreza Moradi. "High radiation efficiency of coupled plasmonic graphene-based THz patch antenna utilizing strip slot ground plane removal." Optik 182 (2019): 1082-1087, doi: 10.1016/j.ijleo.2019.01.099
[15] Jafari Chashmi, Mohsen, Pejman Rezaei, and Narges Kiani. "Polarization controlling of multi resonant graphene-based microstrip antenna." Plasmonics 15, no. 2 (2020): 417-426, doi: 10.1007/s11468-019-01044-2
[16] Seyedsharbaty, Mir Mohsen, and Ramazan Ali Sadeghzadeh. "Antenna gain enhancement by using metamaterial radome at THz band with reconfigurable characteristics based on graphene load." Optical and Quantum Electronics 49, no. 6 (2017): 221, doi: 10.1007/s11082-017-1052-1
[17] Yardimci, N. T., D. Turan, S. Cakmakyapan, and M. Jarrahi. "A high-responsivity and broadband photoconductive terahertz detector based on a plasmonic nanocavity." Applied Physics Letters 113, no. 25 (2018): 251102, doi: 10.1063/1.5066243
[18] Han, Kyungho, Truong Khang Nguyen, Ikmo Park, and Haewook Han. "Terahertz Yagi-Uda antenna for high input resistance." Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 31, no. 4 (2010): 441-454, doi: 10.1007/s10762-009-9596-1
[19] Kushwaha, Ritesh Kumar, and P. Karuppanan. "Design and analysis of Vivaldi antenna with enhanced radiation characteristics for mm-wave and THz applications." Optical and Quantum Electronics 51, no. 9 (2019): 1-19, doi: 10.1007/s11082-019-2032-4
[20] Guangyou, Fang. "New design of the antipodal Vivaldi antenna for a GPR system." Microwave and optical technology letters 44, no. 2 (2005): 136-139, doi: 10.1002/mop.20568
[21] Cheng, Houyuan, Helin Yang, Yujun Li, and Yiqun Chen. "A compact Vivaldi antenna with artificial material lens and Sidelobe suppressor for GPR applications." IEEE Access 8 (2020): 64056-64063, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2984010
[22] Amara, Wided, Ali Yahyaoui, Nermeen Eltresy, Mohammed Aseeri, Bandar Hakim, Yusuf Al‐Turki, and Hatem Rmili. "Vivaldi dipole nano‐rectenna for IR energy harvesting at 28.3 THz." International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields 34, no. 2 (2021): e2836, doi: 10.1002/jnm.2836
[23] Kazemi, Fatemeh. "High Q-factor Compact and Reconfigurable THz Aperture AntennaBased on Graphene Loads for Detecting Breast Cancer Cells." Superlattices and Microstructures (2021): 106865, doi: 10.1016/j.spmi.2021.106865
[24] Geetharamani, G., and T. Aathmanesan. "Metamaterial inspired THz antenna for breast cancer detection." SN Applied Sciences 1, no. 6 (2019): 1-9, doi: 10.1007/s42452-019-0601-6
[25] Tabatabaeian, Zahra Sadat. "Graphene load for harmonic rejection and increasing the bandwidth in Quasi Yagi–Uda array THz antenna for the 6G wireless communication." Optics Communications 499 (2021): 127272, doi: 10.1016/j.optcom.2021.127272
[26] Bansal, Gaurav, Anupma Marwaha, and Amanpreet Singh. "A graphene-based multiband antipodal Vivaldi nanoantenna for UWB applications." Journal of computational electronics 19, no. 2 (2020): 709-718, doi: 10.1007/s10825-020-01460-2
[27] Fitzgerald, Anthony J., Emma Pickwell-MacPherson, and Vincent P. Wallace. "Use of finite difference time domain simulations and Debye theory for modelling the terahertz reflection response of normal and tumour breast tissue." PLoS One 9, no. 7 (2014): e99291, doi: 10.1371/journal.pone.0099291
[28] Truong, Bao CQ, Hoang D. Tuan, Anthony J. Fitzgerald, Vincent P. Wallace, and Hung T. Nguyen. "A dielectric model of human breast tissue in terahertz regime." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 62, no. 2 (2014): 699-707, doi: 10.1109/TBME.2014.2364025
[29] Zohreh Vafapour, Afsaneh Keshavarz, Hossain Ghahraloud. " The potential of terahertz sensing for cancer diagnosis." Heliyon,Volume 6, Issue 12, 2020 :e05623, doi: 10.1016/j.heliyon.2020.e05623
[30] Rahman, Anis, Aunik K. Rahman, and Babar Rao. "Early detection of skin cancer via terahertz spectral profiling and 3D imaging." Biosensors and Bioelectronics 82 (2016): 64-70, doi: 10.1016/j.bios.2016.03.051