一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線的製作方法
2023-07-01 14:24:26
一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線的製作方法
【專利摘要】本發明根據目前的很多技術都不適用於複雜介質環境下的聚焦，而且獲得發射天線各單元的最佳激勵的方法比較複雜等問題，提供一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線，並可以應用於人體腫瘤體外微波加熱理療，具有聚焦精度高，能量聚集旁瓣低等優勢。本發明的適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線，該平面陣列聚焦天線包括設於同一平面內的若干個發射天線單元，每個天線單元採用工作頻率為433MHz，特性阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，天線尺寸為90mm×134mm，採用同軸饋電的方式，饋電位置在天線中心偏下6mm，天線各單元之間橫向間距為0.22
，縱向間距為0.28。
【專利說明】一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線
【技術領域】
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[0001 ] 本發明涉及一種可透過有耗介質聚焦的平面聚焦天線，是一種採用優化收發天線系統傳輸效率而設計出的新型平面聚焦天線。這種平面聚焦天線根據聚焦位置需要，具有多選擇性和聚焦的精確性，並能適用於複雜的人體介質環境。
【背景技術】
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[0002]微波熱療是應用微波的熱效應將腫瘤區域加熱至有效治療溫度範圍，使癌細胞加速死亡，而正常細胞受損較小的一種治療腫瘤的方法。大家廣泛認可的微波熱療目標是將腫瘤區域加熱到42度以上同時控制周圍健康組織的溫度在44度以下。微波熱療作為放射治療和化學藥物的增效療法已經被深入認識並應用於臨床治療之中。許多臨床研宄結果顯示聯合了熱療的放射治療或化療可以提高腫瘤局部控制率以及患者的生存率。微波熱療主要有體內熱療和體外熱療兩種方式，體內熱療作用機理是將天線植入到人體腫瘤內部，利用天線輻射場的熱效應對腫瘤消融，該方法對患者的損傷較大。體外微波熱療是通過某種方法將微波能量聚集在病灶區域，可以減小對患者的創傷，而聚焦天線就是將電磁波能量聚焦在菲涅爾區內的一個特定位置上的陣列天線，可應用於微波探測、微波熱療、無線功率傳輸等需要聚集電磁波能量到特定位置的場合。因此聚焦天線是實現體外微波熱療的一個可行並且適合的方法。聚焦天線在應用於微波熱療時，要考慮到人體對聚焦天線的影響，從而導致微波熱療聚焦天線的設計具有挑戰性。
[0003]首先，有人給出了一種各單元幅度相同，相位滿足二次球面波分布的聚焦天線，但是在聚焦天線附近有大量的旁瓣。隨後有人提出了一種天線單元幅度滿足切比雪夫分布的聚焦天線，其中天線各單元的幅度滿足切比雪夫分布，相位滿足二次球面波分布，從實驗結果看出這種方法將旁瓣降到_20dB以下，同時得到的近場分布圖也很好，但是這個天線的實際聚焦位置和仿真聚焦位置的誤差比較大。最近有人通過優化功率傳輸系統設計出一種聚焦天線，該聚焦天線旁瓣低，聚焦位置偏差小，但是該天線只能用於在自由空間聚焦。還有人設計了一種用於淺表腫瘤的聚焦天線，該天線的能量無法進入到人體深部。
[0004]上述各類近場聚焦天線都基於均勻介質中的幾何光學聚焦原理，不適合有多層介質或者不均勻介質等複雜的情況，而且天線聚焦位置不具有很好的可調諧性。
【發明內容】
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[0005]目前的很多技術都不適用於複雜介質環境下的聚焦，而且獲得發射天線各單元的的最佳激勵的方法比較複雜。本發明提供一種可穿透分層有耗介質聚焦的平面聚焦天線，並可以應用於人體腫瘤體外微波加熱理療，具有聚焦精度高，能量聚集旁瓣低等優勢。
[0006]本發明採用如下技術方案:
[0007]一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線，該平面陣列聚焦天線包括設於同一平面內的若干個發射天線單元，每個發射天線單元採用工作頻率為433MHz，特性阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，天線尺寸為90mmX 134mm，採用同軸饋電的方式，饋電位置在天線中心正下方6mm，運用在天線兩側開槽的方式減小天線的長寬比，槽的尺寸為36.8mmX3mm，各發射天線單元之間橫向間距為0.22 λ，縱向間距為0.28 λ ( λ為433MHz頻率對應的波長，λ 為 692mm)。
[0008]本發明的進一步設計在於:
[0009]該平面陣列由8?36個天線發射單元。
[0010]該平面陣列優選包括12個天線發射單元，排列組成4*3的陣列。
[0011]該平面陣列聚焦天線的控制單元採用功分器、移相器或饋電網絡。
[0012]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0013]1、本發明設計了一種新的聚焦天線，採用一個頻率為433MHz，若干個天線單元的可以在有耗介質中聚焦的天線陣列。
[0014]2、該天線陣列預期聚焦距離為210mm(聚焦範圍200mm-260mm)，實際聚焦距離可以達到210mm (聚焦區域200mm-260mm)，聚焦在人體模型深7_9cm的位置，聚焦位置沒有偏移，而且在聚焦位置周圍沒有產生其他的熱點，實驗結果與仿真結果一致，未來可以用於人體深部腫瘤的理療。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0015]圖1是整個系統(發射天線陣列和接收天線)示意圖，天線I到天線η是η個發射天線，天線η+1是接收天線。
[0016]圖2-1是單個天線單元(微帶貼片)的結構示意圖。
[0017]圖2-2是天線陣列的排布示意圖。
[0018]圖2-3是天線陣列饋電網絡示意圖。
[0019]圖3-1是天線陣列使用狀態圖。
[0020]圖3-2是有耗介質以及接收天線組成的整個系統的示意圖。
[0021]圖4是發射天線陣列的Sll測試效果圖。
[0022]圖5是天線陣列在最大聚焦平面(原定聚焦平面)沿著X方向的電場歸一化圖，從該圖中可以看出測試結果和仿真結果比較吻合。
[0023]圖6給出了天線陣列在最大聚焦平面(原定聚焦平面)沿著Y軸方向的電場分布圖，從該圖中可以看出測試結果和仿真結果比較吻合。
[0024]圖7給出了天線陣列在人體模型內部沿Z軸方向的電場分布圖，從該圖中可以看出測試結果和仿真結果比較吻合。
【具體實施方式】
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[0025]實施例一:
[0026]基於無線功率傳輸系統，為了實現傳輸效率最大化，發射天線的發射能量聚焦在接收天線的位置，本發明適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線，該平面陣列聚焦天線由若干個發射天線單元組成，每個發射天線單元採用工作頻率為433MHz (-1OdB帶寬429MHz?436MHz)，特性阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，天線尺寸為90mmX 134mm，採用同軸饋電的方式，饋電位置在天線中心偏下6mm，各發射天線單元之間橫向間距為0.22 λ，縱向間距為0.28 λ。參照圖2-1所示。
[0027]本實例中平面陣列優選12個天線發射單元，排列組成4*3的陣列，如圖2-1所示。
[0028]控制單元採用饋電網絡控制，如圖2-3所示，根據傳輸線理論的相關知識，採用微帶線設計功分器和移相器，微帶線的寬度控制幅度，長度控制相位，得到優化出的最佳激勵。
[0029]實施例二:
[0030]本發明的工作原理及使用方法:
[0031]測試模型設計:
[0032]參照圖3-1和3-2所示，將發射天線陣列，有耗介質和接收天線按照圖所示放置，首先將發射天線陣列放在最下方，裝有人體模型(ε 57，σ = 0.94)的玻璃缸放在發射天線陣列上方40mm處，人體模型的厚度為70mm，由於人體模型的介電常數較大，與空氣接觸的交界面會產生很強的反射，所以在人體模型與空氣之間需要加匹配介質層，本發明在人體模型與空氣之間加了兩層匹配介質，即匹配介質I ( ε 7.54，σ = O)和匹配介質2(εΓ= 57, σ =0)。只加匹配介質I時，聚焦區域為橢圓形，加上匹配介質2後，聚焦區域近視圓形。因而選擇採用兩層匹配介質層的厚度分別為63mm和23mm，在人體模型上表面放一個接收天線，構造一個無線傳輸系統。
[0033]參照圖2-3。根據得到的埠值，設計對應的饋電網絡，其中各與天線連接的埠用50歐姆輸入阻抗替代。
[0034]參照圖3。饋電網絡設計好以後，將饋電網絡中所用的50歐姆輸入阻抗替換成天線單元，從而將天線單元跟饋電網絡組成一個整體，將裝有等效人體模型和匹配介質的玻璃缸放在發射天線陣列上方40mm處，再加上網絡分析儀和測試天線就組成一個完整的測試系統。
[0035]測試過程及結果:
[0036]然後通過電磁仿真軟體得到收發天線之間的散射參數，進而根據優化收發系統之間的傳輸效率得到埠最佳分布值，根據各埠的最佳分布值設計饋電網絡，將天線陣列、人體模型和匹配介質製作好按照圖3組成整體，通過矢量網絡分析儀和鞭狀測試天線測試聚焦平面各方向的電場歸一化分布，測試結果參照圖4、5、6、7。
[0037]優化發射天線陣列和接收天線以及有耗介質組成的傳輸系統，得到最大的傳輸效率和發射天線陣列各埠激勵，設計饋電網絡實現發射天線陣列各埠激勵，聯合饋電網絡、發射天線陣列、人體模型以及匹配介質就可以實現穿過有耗介質進行聚焦。
[0038]本發明將天線功率傳輸的效率跟天線之間的散射參數聯繫起來，通過HFSS電磁場仿真軟體，可以很容易得到天線陣的相關散射參數，通過計算可以得到各個發射單元的激勵幅度跟相位，同時可以將效率做到最大。根據傳輸線的有關知識，以寬度可以改變幅度，長度可以改變相位為基本原則進行饋電網絡的設計，最終目標是實現各埠的分配值同計算得到的值相一致，將饋電網絡和天線陣列聯合仿真便可得到預期的聚焦效果。
【權利要求】
1.一種適用於微波熱療的平面陣列聚焦天線，該平面陣列聚焦天線包括設於同一平面內的若干個發射天線單元，其特徵是:每個發射天線單元採用工作頻率為433MHz，特性阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，天線尺寸為90mmX 134mm，採用同軸饋電的方式，饋電位置在天線中心正下方6臟，天線兩側有開槽，開槽的尺寸為36.8mmX 3mm，各發射天線單元之間橫向間距為0.22 λ，縱向間距為0.28 λ。
2.根據權利要求1所述的平面陣列聚焦天線，其特徵是:該平面陣列聚焦天線由8?36個天線發射單元。
3.根據權利要求1所述的平面陣列聚焦天線，其特徵是:該平面陣列聚焦天線優選包括12個天線發射單元，排列組成4*3的陣列。
4.根據權利要求1所述的平面陣列聚焦天線，其特徵是:該平面陣列聚焦天線的控制單元採用功分器、移相器或饋電網絡。
【文檔編號】H01Q21/06GK104485521SQ201410799934
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優先權日:2014年12月19日
【發明者】文舸一, 賀小平, 王身雲 申請人:南京信息工程大學