CN104485521B - 一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线 - Google Patents

Abstract

本发明根据目前的很多技术都不适用于复杂介质环境下的聚焦，而且获得发射天线各单元的最佳激励的方法比较复杂等问题，提供一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线，并可以应用于人体肿瘤体外微波加热理疗，具有聚焦精度高，能量聚集旁瓣低等优势。本发明的适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线，该平面阵列聚焦天线包括设于同一平面内的若干个发射天线单元，每个天线单元采用工作频率为433MHz，特性阻抗为50欧姆的微带贴片天线，天线尺寸为90mm×134mm，采用同轴馈电的方式，馈电位置在天线中心偏下6mm，天线各单元之间横向间距为0.22，纵向间距为0.28。

Description

一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线

技术领域：

本发明涉及一种可透过有耗介质聚焦的平面聚焦天线，是一种采用优化收发天线系统传输效率而设计出的新型平面聚焦天线。这种平面聚焦天线根据聚焦位置需要，具有多选择性和聚焦的精确性，并能适用于复杂的人体介质环境。

背景技术：

微波热疗是应用微波的热效应将肿瘤区域加热至有效治疗温度范围，使癌细胞加速死亡，而正常细胞受损较小的一种治疗肿瘤的方法。大家广泛认可的微波热疗目标是将肿瘤区域加热到42度以上同时控制周围健康组织的温度在44度以下。微波热疗作为放射治疗和化学药物的增效疗法已经被深入认识并应用于临床治疗之中。许多临床研究结果显示联合了热疗的放射治疗或化疗可以提高肿瘤局部控制率以及患者的生存率。微波热疗主要有体内热疗和体外热疗两种方式，体内热疗作用机理是将天线植入到人体肿瘤内部，利用天线辐射场的热效应对肿瘤消融，该方法对患者的损伤较大。体外微波热疗是通过某种方法将微波能量聚集在病灶区域，可以减小对患者的创伤，而聚焦天线就是将电磁波能量聚焦在菲涅尔区内的一个特定位置上的阵列天线，可应用于微波探测、微波热疗、无线功率传输等需要聚集电磁波能量到特定位置的场合。因此聚焦天线是实现体外微波热疗的一个可行并且适合的方法。聚焦天线在应用于微波热疗时，要考虑到人体对聚焦天线的影响，从而导致微波热疗聚焦天线的设计具有挑战性。

首先，有人给出了一种各单元幅度相同，相位满足二次球面波分布的聚焦天线，但是在聚焦天线附近有大量的旁瓣。随后有人提出了一种天线单元幅度满足切比雪夫分布的聚焦天线，其中天线各单元的幅度满足切比雪夫分布，相位满足二次球面波分布，从实验结果看出这种方法将旁瓣降到-20dB以下，同时得到的近场分布图也很好，但是这个天线的实际聚焦位置和仿真聚焦位置的误差比较大。最近有人通过优化功率传输系统设计出一种聚焦天线，该聚焦天线旁瓣低，聚焦位置偏差小，但是该天线只能用于在自由空间聚焦。还有人设计了一种用于浅表肿瘤的聚焦天线，该天线的能量无法进入到人体深部。

上述各类近场聚焦天线都基于均匀介质中的几何光学聚焦原理，不适合有多层介质或者不均匀介质等复杂的情况，而且天线聚焦位置不具有很好的可调谐性。

发明内容：

目前的很多技术都不适用于复杂介质环境下的聚焦，而且获得发射天线各单元的的最佳激励的方法比较复杂。本发明提供一种可穿透分层有耗介质聚焦的平面聚焦天线，并可以应用于人体肿瘤体外微波加热理疗，具有聚焦精度高，能量聚集旁瓣低等优势。

本发明采用如下技术方案：

一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线，该平面阵列聚焦天线包括设于同一平面内的若干个发射天线单元，每个发射天线单元采用工作频率为433MHz，特性阻抗为50欧姆的微带贴片天线，天线尺寸为90mm×134mm，采用同轴馈电的方式，馈电位置在天线中心正下方6mm，运用在天线两侧开槽的方式减小天线的长宽比，槽的尺寸为36.8mm×3mm，各发射天线单元之间横向间距为0.22λ，纵向间距为0.28λ(λ为433MHz频率对应的波长，λ为692mm)。

本发明的进一步设计在于：

该平面阵列由8～36个天线发射单元。

该平面阵列优选包括12个天线发射单元，排列组成4*3的阵列。

该平面阵列聚焦天线的控制单元采用功分器、移相器或馈电网络。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明设计了一种新的聚焦天线，采用一个频率为433MHz，若干个天线单元的可以在有耗介质中聚焦的天线阵列。

2、该天线阵列预期聚焦距离为210mm(聚焦范围200mm-260mm),实际聚焦距离可以达到210mm(聚焦区域200mm-260mm),聚焦在人体模型深7-9cm的位置，聚焦位置没有偏移，而且在聚焦位置周围没有产生其他的热点，实验结果与仿真结果一致，未来可以用于人体深部肿瘤的理疗。

附图说明:

图1是整个系统(发射天线阵列和接收天线)示意图，天线1到天线n是n个发射天线，天线n+1是接收天线。

图2-1是单个天线单元(微带贴片)的结构示意图。

图2-2是天线阵列的排布示意图。

图2-3是天线阵列馈电网络示意图。

图3-1是天线阵列使用状态图。

图3-2是有耗介质以及接收天线组成的整个系统的示意图。

图4是发射天线阵列的S11测试效果图。

图5是天线阵列在最大聚焦平面(原定聚焦平面)沿着X方向的电场归一化图，从该图中可以看出测试结果和仿真结果比较吻合。

图6给出了天线阵列在最大聚焦平面(原定聚焦平面)沿着Y轴方向的电场分布图，从该图中可以看出测试结果和仿真结果比较吻合。

图7给出了天线阵列在人体模型内部沿Z轴方向的电场分布图，从该图中可以看出测试结果和仿真结果比较吻合。

具体实施方式：

实施例一：

基于无线功率传输系统，为了实现传输效率最大化，发射天线的发射能量聚焦在接收天线的位置，本发明适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线，该平面阵列聚焦天线由若干个发射天线单元组成，每个发射天线单元采用工作频率为433MHz(-10dB带宽429MHz～436MHz)，特性阻抗为50欧姆的微带贴片天线，天线尺寸为90mm×134mm，采用同轴馈电的方式，馈电位置在天线中心偏下6mm，各发射天线单元之间横向间距为0.22λ，纵向间距为0.28λ。参照图2-1所示。

本实例中平面阵列优选12个天线发射单元，排列组成4*3的阵列，如图2-1所示。

控制单元采用馈电网络控制，如图2-3所示，根据传输线理论的相关知识，采用微带线设计功分器和移相器，微带线的宽度控制幅度，长度控制相位，得到优化出的最佳激励。

实施例二：

本发明的工作原理及使用方法：

测试模型设计：

参照图3-1和3-2所示，将发射天线阵列，有耗介质和接收天线按照图所示放置，首先将发射天线阵列放在最下方，装有人体模型(ε_r＝57,σ＝0.94)的玻璃缸放在发射天线阵列上方40mm处，人体模型的厚度为70mm，由于人体模型的介电常数较大，与空气接触的交界面会产生很强的反射，所以在人体模型与空气之间需要加匹配介质层，本发明在人体模型与空气之间加了两层匹配介质，即匹配介质1(ε_r＝7.54,σ＝0)和匹配介质2(ε_r＝57,σ＝0)。只加匹配介质1时，聚焦区域为椭圆形，加上匹配介质2后，聚焦区域近视圆形。因而选择采用两层匹配介质层的厚度分别为63mm和23mm，在人体模型上表面放一个接收天线，构造一个无线传输系统。

参照图2-3。根据得到的端口值，设计对应的馈电网络，其中各与天线连接的端口用50欧姆输入阻抗替代。

参照图3。馈电网络设计好以后，将馈电网络中所用的50欧姆输入阻抗替换成天线单元，从而将天线单元跟馈电网络组成一个整体，将装有等效人体模型和匹配介质的玻璃缸放在发射天线阵列上方40mm处，再加上网络分析仪和测试天线就组成一个完整的测试系统。

测试过程及结果：

然后通过电磁仿真软件得到收发天线之间的散射参数，进而根据优化收发系统之间的传输效率得到端口最佳分布值，根据各端口的最佳分布值设计馈电网络，将天线阵列、人体模型和匹配介质制作好按照图3组成整体，通过矢量网络分析仪和鞭状测试天线测试聚焦平面各方向的电场归一化分布，测试结果参照图4、5、6、7。

优化发射天线阵列和接收天线以及有耗介质组成的传输系统，得到最大的传输效率和发射天线阵列各端口激励，设计馈电网络实现发射天线阵列各端口激励，联合馈电网络、发射天线阵列、人体模型以及匹配介质就可以实现穿过有耗介质进行聚焦。

本发明将天线功率传输的效率跟天线之间的散射参数联系起来，通过HFSS电磁场仿真软件，可以很容易得到天线阵的相关散射参数，通过计算可以得到各个发射单元的激励幅度跟相位，同时可以将效率做到最大。根据传输线的有关知识，以宽度可以改变幅度，长度可以改变相位为基本原则进行馈电网络的设计，最终目标是实现各端口的分配值同计算得到的值相一致，将馈电网络和天线阵列联合仿真便可得到预期的聚焦效果。

Claims (4)

1.一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线，该平面阵列聚焦天线包括设于同一平面内的若干个发射天线单元，其特征是：每个发射天线单元采用工作频率为433MHz，特性阻抗为50欧姆的微带贴片天线，天线尺寸为90mm×134mm，采用同轴馈电的方式，馈电位置在天线中心正下方6mm，天线两侧有开槽，开槽的尺寸为36.8mm×3mm，各发射天线单元之间横向间距为0.22λ，纵向间距为0.28λ；

将所述发射天线阵列放在最下方，装有人体模型ε_r＝57,σ＝0.94的玻璃缸放在发射天线阵列上方40mm处，人体模型的厚度为70mm，在人体模型与空气之间加两层匹配介质，即第一匹配介质ε_r＝7.54,σ＝0和第二匹配介质ε_r＝57,σ＝0，采用两层匹配介质层的厚度分别为63mm和23mm，在人体模型上表面放一个接收天线；

其中，“λ”表示电磁波的波长，“ε_r”表示相对介电常数，“σ”表示电导率。

2.根据权利要求1所述的平面阵列聚焦天线，其特征是：该平面阵列聚焦天线由8～36个天线发射单元组成。

3.根据权利要求1所述的平面阵列聚焦天线，其特征是：该平面阵列聚焦天线优选包括12个天线发射单元，排列组成4*3的阵列。

4.根据权利要求1所述的平面阵列聚焦天线，其特征是：该平面阵列聚焦天线的控制单元采用功分器、移相器或馈电网络。