CN113100927B - 一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线 - Google Patents

一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，包括基片集成同轴电缆结构、馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构、保护套结构；其中馈电结构与基片集成同轴电缆结构相连接，匹配结构、辐射结构均处于基片集成同轴电缆结构当中，反射结构与基片集成同轴电缆结构相连接，基片集成同轴电缆结构与馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构处于保护套结构当中。本发明所采用的基片集成同轴电缆结使用成本低，精度高，且制造简单快捷，匹配结构采用共面波导形式，提高了天线工作的稳定性，且利于集成，同时本发明采用定向加热模式解决了传统消融天线无法完成的定向区域加热问题，为未来广泛应用微波消融天线奠定基础。

Description

一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线
技术领域
本发明涉及微波消融技术领域，尤其涉及一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线。
背景技术
近些年来，微波在医疗行业中的应用逐渐增多，微波消融技术也被认为是治疗肿瘤的重要手段，目前由于出现的消融区域的不同而对消融天线的结构也提出了更高的要求，传统的微波消融天线基本呈现轴对称结构，因此用来进行微波消融呈现的区域也是轴对称的，然而在某些消融场景中，轴对称消融区域可能并不是适合且理想的，例如，不应消融的重要器官可能在目标消融区附近，并且肿瘤的中心区域可能不容易接近，因此在这种情况下就需要一种能够放置在肿瘤外围产生定向消融区域的微波消融天线，因此能够更好地完成消融手术。当前大多数微波消融天线是基于传统同轴线的结构设计的，这种结构功率容量大，横截面积小，对病人伤害小，但是传统同轴线为圆同轴，在此结构上加工天线成本高，精度低，难以进行阻抗匹配，且加工条件带来的天线结构设计自由度有一定的局限性。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线。
为解决现有技术存在的不足，本发明采用的技术方案如下：
一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，包括基片集成同轴电缆结构、馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构、保护套结构；其中馈电结构与基片集成同轴电缆结构相连接，匹配结构、辐射结构均处于基片集成同轴电缆结构当中，反射结构与基片集成同轴电缆结构相连接，基片集成同轴电缆结构与馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构处于保护套结构当中。
进一步地，所述的基片集成同轴电缆结构包括上导体层、中间介质层、金属化通孔、下导体层；上导体层、金属化通孔和下导体层三者共同构成了基片同轴电缆结构的外导体部分，两侧金属化通孔处于中间介质层当中并将上导体层与下导体层连接。
进一步地，所述的馈电结构包括共面波导中心馈线、导体层、金属化通孔和中心馈线，其中导体层独立且与金属化通孔和中心馈线均不连接，导体层与中心馈线平行且都位于中间介质层上部并与之接触，中心馈线处于基片集成同轴电缆结构中间介质层中，金属化通孔处于中间介质层中，共面波导中心馈线通过金属化通孔与中心馈线连接。
进一步地，所述的馈电结构为共面波导结构。
进一步地，所述共面波导中心馈线采用金属导体制成。
进一步地，所述的匹配结构包括匹配一环节，匹配二环节，匹配三环节，其中匹配一环节与匹配二环节连接，匹配二环节与匹配三环节连接，匹配一环节与馈电结构的中心馈线连接。
进一步地，所述的辐射结构包括辐射单极子，辐射单极子与匹配结构的匹配三环节连接。
进一步地，所述的辐射单极长度为20mm，宽度为2mm。
进一步地，所述的反射结构处于中间介质层下方，包括反射器，反射器与基片集成同轴电缆结构的下导体层连接。
进一步地，所述中间介质层12采用FR4制成，长度为65mm，宽度为3mm，高度为0.3mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)辐射单极子能够辐射电磁能量到目标组织当中，反射器起到了反射电磁波能量的作用，将辐射单极子所辐射出的电磁波能量反射到一侧，起到定向消融的作用。
(2)本发明利用基片集成同轴电缆结构提出了一种具有定向加热模式的微波消融天线，该结构简单、横截面积小、成本较低，精度高，易利用印刷电路板技术进行批量生产，具有较强的实用价值。
(3)本发明的匹配结构采用共面波导形式，提高了天线工作的稳定性，且利于集成，同时本发明采用定向加热模式解决了传统消融天线无法完成的定向区域加热问题，为未来广泛应用微波消融天线奠定基础。
附图说明
图1是本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线的原理框图；
图2是本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线的各部分结构示意图；
图3是本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线的外部保护套结构示意图；
图4是本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线S参数图；
图5是本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线的温度场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，如图1所示为本发明一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线的原理框图，包括基片集成同轴电缆结构1、馈电结构2、匹配结构3、辐射结构4、反射结构5、保护套结构6；其中馈电结构2与基片集成同轴电缆结构1相连接，匹配结构3、辐射结构4均处于基片集成同轴电缆结构1当中，反射结构5与基片集成同轴电缆结构1相连接，基片集成同轴电缆结构1与馈电结构2、匹配结构3、辐射结构4、反射结构5处于保护套结构6当中。
如图2所示，本发明实施例中，所述的基片集成同轴电缆结构1包括上导体层11、中间介质层12、金属化通孔13、下导体层14；上导体层11、金属化通孔13和下导体层14三者共同构成了基片同轴电缆结构1的外导体部分，两侧金属化通孔13处于中间介质层12当中并将上导体层11与下导体层14连接。
本发明实施例中，所述的馈电结构2为共面波导结构，包括共面波导中心馈线21、导体层22和金属化通孔23、中心馈线24，其中导体层22独立且与中心馈线21、金属化通孔23和中心馈线24均不连接，导体层22与中心馈线21平行且都位于中间介质层12上部并与之接触，中心馈线24处于基片集成同轴电缆结构1中间介质层12中，金属化通孔23处于中间介质层12中，共面波导中心馈线21通过金属化通孔23与中心馈线24连接。
本发明实施例中，所述的匹配结构3处于中间介质层12当中，包括匹配一环节31，匹配二环节32，匹配三环节33，其中匹配一环节31与匹配二环节32连接，匹配二环节32与匹配三环节33连接，匹配一环节31与馈电结构2中心馈线24连接。
本发明实施例中，所述的辐射结构4处于中间介质层12中，包括辐射单极子41，辐射单极子41与匹配结构3匹配三环节33连接。
本发明实施例中，所述的反射结构5处于中间介质层下方，包括反射器51，反射器51与基片集成同轴电缆结构1下导体层14连接。
如图3所示，所述的保护套结构6包围基片集成同轴电缆结构1、馈电结构2中心馈线24、匹配结构3、辐射结构4和反射结构5，主要起到防止天线被腐蚀的作用。
所述的基片集成同轴电缆结构1起到传输电磁波信号的作用，所述的馈电结构2采用共面波导结构，中心馈线21完成信号的传输，导体层22为接地面，所述的匹配结构3完成微波信号源与消融天线之间的匹配，所述的辐射结构4包括辐射单极子41，辐射单极子41位于中间介质层12当中与匹配三环节33相连，该辐射单极子能够辐射电磁能量到目标组织当中，反射器51起到了反射电磁波能量的作用，将辐射单极子所辐射出的电磁波能量反射到一侧，起到定向消融的作用。
本发明实施例中，所述的馈电结构2中共面波导中心馈线21采用金属导体，中间介质层12采用FR4制成，长度为65mm，宽度为3mm，高度为0.3mm。
本实施例中，所述的辐射结构4中的辐射单极41长度为20mm，宽度为2mm。
图4所示为本实施例微波消融天线在蛋清中的S参数仿真结果，谐振频率为2.45GHz，在规定的ISM频段内，回波损耗达到-26.8579dB，由此可得天线达到良好的匹配，能量得到充分的利用。
图5所示为本发明实施例的微波消融天线的温度场分布图，其中天线的馈入功率为25W，消融时间为500s，轮廓温度为60℃，根据温度轮廓可得天线在特定的功率输入下能够完成定向区域消融，消融区域呈现高度的局部化，能够满足单侧情况下的消融。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：包括基片集成同轴电缆结构、馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构、保护套结构；其中馈电结构与基片集成同轴电缆结构相连接，匹配结构、辐射结构均处于基片集成同轴电缆结构当中，反射结构与基片集成同轴电缆结构相连接，基片集成同轴电缆结构与馈电结构、匹配结构、辐射结构、反射结构处于保护套结构当中；
所述的辐射结构处于中间介质层中，包括辐射单极子，辐射单极子与匹配结构的匹配三环节连接；
所述的反射结构处于中间介质层下方，包括反射器，反射器与基片集成同轴电缆结构的下导体层连接；
当辐射单极子辐射电磁能量到目标组织当中时，反射器起到了反射电磁波能量的作用，将辐射单极子所辐射出的电磁波能量反射到一侧，起到定向消融的作用。
2.根据权利要求1所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述的基片集成同轴电缆结构包括上导体层、中间介质层、金属化通孔、下导体层；上导体层、金属化通孔和下导体层三者共同构成了基片同轴电缆结构的外导体部分，两侧金属化通孔处于中间介质层当中并将上导体层与下导体层连接。
3.根据权利要求1所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述的馈电结构包括共面波导中心馈线、导体层、金属化通孔和中心馈线，其中导体层独立且与金属化通孔和中心馈线均不连接，导体层与中心馈线平行且都位于中间介质层上部并与之接触，中心馈线处于基片集成同轴电缆结构中间介质层中，金属化通孔处于中间介质层中，共面波导中心馈线通过金属化通孔与中心馈线连接。
4.根据权利要求3所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述的馈电结构为共面波导结构。
5.根据权利要求3所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述共面波导中心馈线采用金属导体制成。
6.根据权利要求1所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述的匹配结构包括匹配一环节，匹配二环节，匹配三环节，其中匹配一环节与匹配二环节连接，匹配二环节与匹配三环节连接，匹配一环节与馈电结构的中心馈线连接。
7.根据权利要求1所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述的辐射单极长度为20mm，宽度为2mm。
8.根据权利要求1所述的一种新颖的基于基片集成同轴电缆的定向微波消融天线，其特征在于：所述中间介质层12采用FR4制成，长度为65mm，宽度为3mm，高度为0.3mm。
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