CN114824787A - 一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法，属于医疗设备领域，实施例的相控阵天线包括介质基板、馈电网络和若干个微带贴片天线；所述介质基板形状为圆筒状；所述介质基板底部设有底板；所述介质基板的侧壁上设有若干个环绕介质基板中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线；所述馈电网络用于向微带贴片天线馈入微波。本发明的一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法，微波聚焦效果好，散热均匀、散热效果好，微波聚焦精高，能实现适形治疗。

Description

一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法

技术领域

本发明属于医疗设备领域，具体地说涉及一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法。

背景技术

微波热疗是指利用微波热效应使生物组织升温灭杀肿瘤细胞的治疗方法。微波热疗作为放射治疗和化学药物治疗的增效疗法，已被应用于临床治疗。体外热疗是在人体外部利用微波热疗天线将电磁波聚焦到靶区位置进行治疗，以求减小对患者身体组织的损伤的一种微波热疗方式。

然而现有天线的电场叠加有效率较低，还有旁瓣干扰，不能获得良好的近场聚焦特性，微波聚焦效果不佳，导致治疗效果不佳。并且，微波聚焦时会产生大量热量，会导致患者患处附近的生物组织受到不必要的损伤，所以治疗时需要进行散热，以求减小不必要的损伤。由于天线场分布和生物组织电参数的复杂性，导致微波热疗过程中电磁场的强场区温度升高快，弱场区温度升高慢，患处电磁场分布的不均匀致使生物组织内部温度不均匀，使得散热效果不佳。另外，患者患处的形状往往是不规则的，传统天线聚焦精度较低，在治疗时会损伤到患者非治疗区的生物组织，难以实现精准的适形治疗。因此，医护人员有改进现有技术的需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法，拟解决目前微波聚焦效果不佳，生物组织散热不均匀、散热效果不佳，微波聚焦精度低等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种相控阵天线，包括介质基板1、馈电网络和若干个微带贴片天线2；所述介质基板1形状为圆筒状；所述介质基板1底部设有底板；所述介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2；所述馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号。由上述结构可知，介质基板1是搭载微带贴片天线2和馈电网络的介质基材，采用荷兰帝斯曼研发的Somos WaterClear Ultra10122光敏树脂材料，具有透明、防水和耐高温特性，介电常数约为3.1，总厚度约3mm，可使用3D打印技术制造。介质基板1形状为圆筒状，圆筒直径为300mm。介质基板1底部设有底板，故整体外形为底部密封上面开口的圆筒。因此，介质基板1还能用做盛装水的容器，对微波热疗的部位进行散热。介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列，天线列分布均匀，每列之间间隔一致。天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2，每个微带贴片天线2之间间隔一致，长和宽都为30mm，厚度为2mm，工作于915MHz。微带贴片天线2的尺寸小，利于减小相控阵天线的体积。此外，每个天线列的微带贴片天线2在竖向上的摆放方向一致，因而极化差异小，能实现近场极化匹配，进一步使所有电场在筒状的介质基板1内实现有效叠加，获得良好的近场聚焦特性。馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号，微带贴片天线2接收馈入的射频信号后，向介质基板1的空间内辐射电磁波。介质基板1的底板内部设有相控阵天线控制装置，它能改变微带贴片天线2的振幅和相位，使电场叠加的能量集中在筒内预期部位，实现波束聚焦；又可以通过改变幅度相位分布，使波束聚焦点在空间中快速移动，实现波束扫描。此外，本相控阵天线采用3D打印一体化成形技术加工而成，能使整个相控阵天线的结构更加紧凑。本发明的一种相控阵天线，结构紧凑，近场极化匹配，聚焦效率高，在介质基板1内部预期位置都能获得近场聚焦和波束扫描，利于适形治疗。

进一步的，所述馈电网络包括若干个馈电单元；所述馈电单元和天线列一一对应；所述馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5；每个馈电单元的带状线5与对应的天线列的微带贴片天线2一一配合；所述下金属地板4位于介质基板1的外侧壁；所述上金属地板3位于介质基板1的夹层；若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间；所述带状线5底部设有馈电接口6；所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23；所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁；所述金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5；所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3。由上述结构可知，馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5，下金属地板4位于介质基板1的外侧壁，所述上金属地板3位于介质基板1的夹层。上金属地板3和下金属地板4尺寸一致，位置对应。若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间，所述带状线5底部设有馈电接口6。介质基板1外侧面的底部开有若干个小口，将内部埋有的带状线5的部分导线露出，这些小口即为馈电接口6，它能接受从底板馈入的射频信号。所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23，辐射贴片21为微带贴片天线2的辐射主体结构，辐射贴片21将从馈电网络接收到的导行波转换为在介质基板1内部空间中传播的电磁波。辐射贴片21为不对称U型，U形两边一长一短，金属馈电柱22位于辐射贴片21的长边上，直径为0.5mm，作为微带贴片天线2的馈电激励端口。金属短路柱23同样位于辐射贴片21的长边，并设在金属馈电柱22下方，直径为0.5mm。所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁，金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5，射频信号从馈电接口6进入带状线5，由带状线5运输至金属馈电柱22，最后由金属馈电柱22馈入辐射贴片21，实现向微带贴片天线2馈电的功能。每个微带贴片天线2都有独立的馈电单元，其幅度、相位等参数都可以单独调整控制，利于在介质基板1内的预期位置实施微波聚焦、波束扫描，进一步实现适形治疗。所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3，可以使微带贴片天线2的谐振频率明显下降，利于实现天线的小型化。

进一步的，所述微带贴片天线2还包括金属围框24和若干个第一金属屏蔽柱25；所述金属围框24设在辐射贴片21四周；若干个第一金属屏蔽柱25均匀分布在金属围框24上；所述第一金属屏蔽柱25连接金属围框24和对应的下金属地板4。由上述结构可知，金属围框24与若干个第一金属屏蔽柱25配合，并连接对应的下金属地板4，能起到增加各个微带贴片天线2间隔离度的作用。

进一步的，所述辐射贴片21形状为不对称U形。由上述结构可知，本发明对贴片进行折叠设计，使贴片形状为不对称U形，U形两边一长一短，能减小微带贴片天线2的体积，利于实现天线的小型化。本发明的微带贴片天线2优势众多，结构紧凑、集成度高，体积小，且具有低剖面特点。

进一步的，每条带状线5两侧设有若干个第二金属屏蔽柱26。由上述结构可知，每条带状线5两侧都设置有若干个第二金属屏蔽柱26，每根第二金属屏蔽柱26之间有一定距离。设置第二金属屏蔽柱26的目的是降低各条带状线5之间的互耦现象，进一步减少对相邻带状线5产生的影响，从而保证信号传输的可靠性。

进一步的，一种微波热疗设备，包括相控阵天线系统7和去离子水循环系统8；所述相控阵天线系统7包括权利要求1至5中任一权利要求所述的相控阵天线；所述相控阵天线的介质基板1上设有进水口和出水口；所述去离子水循环系统8通过进水管连接进水口，通过出水管连接出水口。由上述结构可知，相控阵天线的底板内置相控阵天线控制装置，相控阵天线控制装置包括射频板、供电板和波控子板，它们分别具有射频、供电和波控的功能。由于相控阵天线内每个天线列的微带贴片天线2在空间中摆放方向一致且能够单独调整幅度和相位，利于极化匹配，电磁波聚焦效率高。相控阵天线能根据系统内置的近场方向图综合算法在患者的生物组织11表面速变换聚焦位置实施波束扫描，进一步的实现适形治疗。相控阵天线系统7外形为底部密封上面开口的圆筒，不仅用于放置生物组织11进行微波热疗，还能盛装去离子水循环系统8的去离子水，结构设计巧妙，一举多得。而被封装在相控阵天线底部的射频板、供电板和波控子板整体结构防水，功能不受注水与否的影响。相控阵天线的介质基板1上设有进水口和出水口，去离子水循环系统8通过进水管连接进水口，通过出水管连接出水口。去离子水循环系统8上还设有水箱、水泵和冷凝器，水箱用于储存去离子水，水泵用于向筒状的介质基板1内部供水，冷凝器用于对水箱中的去离子水进行降温。进水口位置设在介质基板1一侧上部，使用时，出水口先处于关闭状态，去离子水通过水泵和进水管，向介质基板1的进水口注水，患者乳房组织置于介质基板1内部，与去离子水直接接触。待去离子水漫过进水口位置时，出水口打开，出水口位置设在介质基板1另一侧下部，水流通过出水管回到水箱内，实现水流循环功能，使去离子水循环系统8中的水处于流动状态。进、出水口一高一低，分布在介质基板1两侧，新注入的去离子水通过进水口流入介质基板1内的上部，让患者的乳房组织第一时间接触到新注入的、被冷却过的去离子水。去离子水循环系统8能保证乳房组织与去离子水直接接触，使乳房表面各处均匀散热；去离子水不断循环降温，提升整体散热效果。

进一步的，还包括控制器9和测温定位系统10；所述相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10分别和控制器9电连接；所述介质基板1内设有生物组织11；所述生物组织11表面分为若干个测温区；所述测温定位系统10用于监测各测温区的温度和介质基板1内放置的去离子水的温度，并将各测温区的温度信息和介质基板1内放置的去离子水的温度信息传递给控制器9；所述控制器9用于控制和记录相控阵天线的各微带贴片天线2馈入的微波幅度和相位以及去离子水循环系统8的运行。由上述结构可知，控制器9外连220v交流电源，为整个设备供电；还与相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10分别电连接，控制器9内置微波热疗设备的控制方法，可控制相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10的运作。控制器9连接相控阵天线系统7的相控阵天线控制装置，通过控制器9输入的波控指令，控制器9能控制相控阵天线控制装置对各微带贴片天线2馈入的微波幅度和相位进行调整，并进行数据记录。控制器9连接去离子水循环系统8，通过控制进出水口开关、水泵和冷凝器，控制注水、排水速度和温度等参数，进一步控制介质基板1内的水温，保证生物组织11表皮温度不会过高。测温定位系统10一端为若干条预设编号的超细热电偶测温线，直径为0.1mm，用较小尺寸的薄胶布固定于放置在介质基板1内的生物组织11，即乳房组织，表面分为若干个测温区，与预设编号的超细热电偶测温线一一对应，故测温定位系统10能记录各测温区的温度信息。此外，还有一根超细热电偶测温线置于介质基板1内部，用于监测介质基板1内放置的去离子水的温度。然后若干条线超细热电偶测温线连接的导线并为一条，另一端与控制器9电连接，控制器9记录各测温区的温度、位置信息和介质基板1内的去离子水的温度信息，控制器9可以根据从测温定位系统10收到的介质基板1内去离子水的温度，调整去离子水循环系统8的参数，保证在微波热疗过程中，去离子水的水温适宜，对患者生物组织11散热效果好，减轻患者痛苦，减小对患者的损伤。在微波热疗开始前，控制器9会根据测温定位系统10和相控阵天线系统7的反馈的信息，利用内置微波热疗设备的控制方法调节参数，更改相控阵天线在介质基板1内的聚焦位置，针对生物组织11的具体情况进行适形治疗。在微波热疗过程中，还可以通过调整相控阵天线系统7的参数，优化治疗方案，调整聚焦位置，保证相控阵天线系统7的控制精度和长期工作的可靠性，提升微波热疗效果。本发明的微波热疗设备，可通过控制器9调整各系统参数，更改聚焦位置并进行波束扫描，在生物组织11任意位置实现适形治疗；去离子水与生物组织11直接接触，使其散热均匀、散热效果好。

进一步的，微波热疗设备的控制方法，采用权利要求7所述的微波热疗设备，具体步骤包括构建数据包步骤、初始化步骤、微波治疗步骤和去离子水调温步骤；所述构建数据包步骤具体为：所述控制器9记录输送至各微带贴片天线2的微波幅度信息和相位信息，所述测温定位系统10将监测的各测温区的温度信息传递至控制器9，控制器9记录各测温区的温度信息，控制器9构建数据包，所述数据包包含各测温区的温度信息，各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息；所述初始化步骤具体为：在构建数据包步骤后，控制器9将数据包存储为第1数据包；控制器9不断改变输送至各微带贴片天线2的微波幅度和相位，每次改变时重复构建数据包步骤，控制器9将第i次改变产生的数据包存储为第i+1数据包，其中i+1大于各测温区的数量；控制器9从所有的数据包中分别选择出各测温区温度最高的数据包构成数据集；所述微波治疗步骤具体为：在初始化步骤后，当需要对生物组织的某个部位进行微波治疗时，确定该部位对应的测温区，控制器9从数据集中调取该测温区温度最高的数据包，然后按照该数据包中的各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息向各微带贴片天线2输送射频信号；所述去离子水调温步骤具体为：所述测温定位系统10将监测的介质基板1内放置的去离子水的温度所形成的去离子水的温度信息传递给控制器9，所述控制器9将去离子水的温度与预设的最高温度进行比较，当去离子水的温度大于预设的最高温度时，控制器9控制去离子水循环系统8的运行。由上述结构可知，控制器9内置微波热疗设备的控制方法，实现了数据储存，数据调取和去离子水调温功能。当测温区为三个时，构建数据包步骤中，控制器9记录各微带贴片天线2的微波幅度信息和相位信息、三个测温区的温度信息，并存储为第1数据包。在初始化步骤中，控制器9不断改变输送至各微带贴片天线2的微波幅度和相位，产生第2数据包、第3数据包、第4数据包……第i+1数据包。控制器9从所有数据包中对比第一测温区的温度信息，挑出第一测温区的温度最高的数据包，如第2数据包。然后以此类推，找出第二测温区和第三测温区的温度最高的数据包，如第6数据包、第9数据包。再将第2数据包、第6数据包和第9数据包构成数据集。然后进入微波治疗步骤，若生物组织11需要治疗的部位为第一测温区，则控制器9从数据集中调取第2数据包，并按照第2数据包中的各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息，向各微带贴片天线2输送微波，实施适形治疗。以此类推，治疗的部位为第二测温区时，控制器9从数据集中调取第6数据包。当生物组织11的情况发生改变，则重复构建数据包步骤、初始化步骤，创建新的数据集，并从新的数据集中挑选对应的数据包实施治疗。然后在微波热疗过程中，测温定位系统10将实时监测的介质基板1内放置的去离子水的温度，形成去离子水的温度信息并传递给控制器9，控制器9会时刻将去离子水的温度与预设的最高温度进行比较。当去离子水的温度大于预设的最高温度时，控制器9控制去离子水循环系统8的水泵增加水的流速，并控制冷凝器降低水箱内的去离子水的温度，加快水循环速度并降低水温，从而对介质基板1内放置的去离子水进行降温。当介质基板1内放置的去离子水的温度低于预设的最高温度时，控制器9关闭冷凝器，并控制水泵降低水的流速。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法，属于医疗设备领域，实施例的相控阵天线包括介质基板、馈电网络和若干个微带贴片天线；所述介质基板形状为圆筒状；所述介质基板底部设有底板；所述介质基板的侧壁上设有若干个环绕介质基板中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线；所述馈电网络用于向微带贴片天线馈入微波。本发明的一种相控阵天线、微波热疗设备和设备控制方法，微波聚焦效果好，散热均匀、散热效果好，微波聚焦精高，能实现适形治疗。

附图说明

图1是本发明相控阵天线的结构示意图；

图2是本发明微带贴片天线的结构示意图，背面连有地板组；

图3是本发明相控阵天线的正面平铺示意图；

图4是本发明相控阵天线的剖面平铺示意图；

图5是本发明微波热疗设备的结构示意图；

图6是本发明相控阵天线单元S11仿真结果图；

图7是本发明相控阵天线单元方向图仿真结果图；

图8是本发明相控阵天线近场聚焦点扫描至U＝0，V＝0，Z＝-60mm时，该平面的场强分布仿真结果图；

图9是本发明相控阵天线近场聚焦点扫描至U＝60mm，V＝30mm，Z＝0mm时，该平面的场强分布仿真结果图；

图10是本发明相控阵天线近场聚焦点扫描至U＝-75mm，V＝-35mm，Z＝30mm时，该平面的场强分布仿真结果图；

图11是本发明相控阵天线近场聚焦点扫描至U＝-100mm，V＝0，Z＝100mm时，该平面的场强分布仿真结果图；

附图中：1-介质基板、2-微带贴片天线、3-上金属地板、4-下金属地板、5-带状线、6-馈电接口、7-相控阵天线系统、8-去离子水循环系统、9-控制器、10-测温定位系统、11-生物组织、21-辐射贴片、22-金属馈电柱、23-金属短路柱、24-金属围框、25-第一金属屏蔽柱、26-第二金属屏蔽柱。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～4。一种相控阵天线，包括介质基板1、馈电网络和若干个微带贴片天线2；所述介质基板1形状为圆筒状；所述介质基板1底部设有底板；所述介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2；所述馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号。由上述结构可知，介质基板1是搭载微带贴片天线2和馈电网络的介质基材，采用荷兰帝斯曼研发的Somos WaterClearUltra 10122光敏树脂材料，具有透明、防水和耐高温特性，介电常数约为3.1，总厚度约3mm，可使用3D打印技术制造。介质基板1形状为圆筒状，圆筒直径为300mm。介质基板1底部设有底板，故整体外形为底部密封上面开口的圆筒。因此，介质基板1还能用做盛装水的容器，对微波热疗的部位进行散热。介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列，天线列分布均匀，每列之间间隔一致。天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2，每个微带贴片天线2之间间隔一致，长和宽都为30mm，厚度为2mm，工作于915MHz。微带贴片天线2的尺寸小，利于减小相控阵天线的体积。此外，每个天线列的微带贴片天线2在竖向上的摆放方向一致，因而极化差异小，能实现近场极化匹配，进一步使所有电场在筒状的介质基板1内实现有效叠加，获得良好的近场聚焦特性。馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号，微带贴片天线2接收馈入的射频信号后，向介质基板1的空间内辐射电磁波。介质基板1的底板内部设有相控阵天线控制装置，它能改变微带贴片天线2的振幅和相位，使电场叠加的能量集中在筒内预期部位，实现波束聚焦；又可以通过改变幅度相位分布，使波束聚焦点在空间中快速移动，实现波束扫描。此外，本相控阵天线采用3D打印一体化成形技术加工而成，能使整个相控阵天线的结构更加紧凑。本发明的一种相控阵天线，结构紧凑，近场极化匹配，聚焦效率高，在介质基板1内部预期位置都能获得近场聚焦和波束扫描，利于适形治疗。

实施例二：

见附图1～6。一种相控阵天线，包括介质基板1、馈电网络和若干个微带贴片天线2；所述介质基板1形状为圆筒状；所述介质基板1底部设有底板；所述介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2；所述馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号。由上述结构可知，介质基板1是搭载微带贴片天线2和馈电网络的介质基材，采用荷兰帝斯曼研发的Somos WaterClearUltra 10122光敏树脂材料，具有透明、防水和耐高温特性，介电常数约为3.1，总厚度约3mm，可使用3D打印技术制造。介质基板1形状为圆筒状，圆筒直径为300mm。介质基板1底部设有底板，故整体外形为底部密封上面开口的圆筒。因此，介质基板1还能用做盛装水的容器，对微波热疗的部位进行散热。介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列，天线列分布均匀，每列之间间隔一致。天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2，每个微带贴片天线2之间间隔一致，长和宽都为30mm，厚度为2mm，工作于915MHz。微带贴片天线2的尺寸小，利于减小相控阵天线的体积。此外，每个天线列的微带贴片天线2在竖向上的摆放方向一致，因而极化差异小，能实现近场极化匹配，进一步使所有电场在筒状的介质基板1内实现有效叠加，获得良好的近场聚焦特性。馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号，微带贴片天线2接收馈入的射频信号后，向介质基板1的空间内辐射电磁波。介质基板1的底板内部设有相控阵天线控制装置，它能改变微带贴片天线2的振幅和相位，使电场叠加的能量集中在筒内预期部位，实现波束聚焦；又可以通过改变幅度相位分布，使波束聚焦点在空间中快速移动，实现波束扫描。此外，本相控阵天线采用3D打印一体化成形技术加工而成，能使整个相控阵天线的结构更加紧凑。本发明的一种相控阵天线，结构紧凑，近场极化匹配，聚焦效率高，在介质基板1内部预期位置都能获得近场聚焦和波束扫描，利于适形治疗。

所述馈电网络包括若干个馈电单元；所述馈电单元和天线列一一对应；所述馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5；每个馈电单元的带状线5与对应的天线列的微带贴片天线2一一配合；所述下金属地板4位于介质基板1的外侧壁；所述上金属地板3位于介质基板1的夹层；若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间；所述带状线5底部设有馈电接口6；所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23；所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁；所述金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5；所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3。由上述结构可知，馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5，下金属地板4位于介质基板1的外侧壁，所述上金属地板3位于介质基板1的夹层。上金属地板3和下金属地板4尺寸一致，位置对应。若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间，所述带状线5底部设有馈电接口6。介质基板1外侧面的底部开有若干个小口，将内部埋有的带状线5的部分导线露出，这些小口即为馈电接口6，它能接受从底板馈入的射频信号。所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23，辐射贴片21为微带贴片天线2的辐射主体结构，辐射贴片21将从馈电网络接收到的导行波转换为在介质基板1内部空间中传播的电磁波。辐射贴片21为不对称U型，U形两边一长一短，金属馈电柱22位于辐射贴片21的长边上，直径为0.5mm，作为微带贴片天线2的馈电激励端口。金属短路柱23同样位于辐射贴片21的长边，并设在金属馈电柱22下方，直径为0.5mm。所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁，金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5，射频信号从馈电接口6进入带状线5，由带状线5运输至金属馈电柱22，最后由金属馈电柱22馈入辐射贴片21，实现向微带贴片天线2馈电的功能。每个微带贴片天线2都有独立的馈电单元，其幅度、相位等参数都可以单独调整控制，利于在介质基板1内的预期位置实施微波聚焦、波束扫描，进一步实现适形治疗。所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3，可以使微带贴片天线2的谐振频率明显下降，利于实现天线的小型化。

所述微带贴片天线2还包括金属围框24和若干个第一金属屏蔽柱25；所述金属围框24设在辐射贴片21四周；若干个第一金属屏蔽柱25均匀分布在金属围框24上；所述第一金属屏蔽柱25连接金属围框24和对应的下金属地板4。由上述结构可知，金属围框24与若干个第一金属屏蔽柱25配合，并连接对应的下金属地板4，能起到增加各个微带贴片天线2间隔离度的作用。

所述辐射贴片21形状为不对称U形。由上述结构可知，本发明对贴片进行折叠设计，使贴片形状为不对称U形，U形两边一长一短，能减小微带贴片天线2的体积，利于实现天线的小型化。本发明的微带贴片天线2优势众多，结构紧凑、集成度高，体积小，且具有低剖面特点。

每条带状线5两侧设有若干个第二金属屏蔽柱26。由上述结构可知，每条带状线5两侧都设置有若干个第二金属屏蔽柱26，每根第二金属屏蔽柱26之间有一定距离。设置第二金属屏蔽柱26的目的是降低各条带状线5之间的互耦现象，进一步减少对相邻带状线5产生的影响，从而保证信号传输的可靠性。

实施例三：

见附图1～6。一种相控阵天线，包括介质基板1、馈电网络和若干个微带贴片天线2；所述介质基板1形状为圆筒状；所述介质基板1底部设有底板；所述介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2；所述馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号。由上述结构可知，介质基板1是搭载微带贴片天线2和馈电网络的介质基材，采用荷兰帝斯曼研发的Somos WaterClearUltra 10122光敏树脂材料，具有透明、防水和耐高温特性，介电常数约为3.1，总厚度约3mm，可使用3D打印技术制造。介质基板1形状为圆筒状，圆筒直径为300mm。介质基板1底部设有底板，故整体外形为底部密封上面开口的圆筒。因此，介质基板1还能用做盛装水的容器，对微波热疗的部位进行散热。介质基板1的侧壁上设有若干个环绕介质基板1中心排布的天线列，天线列分布均匀，每列之间间隔一致。天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线2，每个微带贴片天线2之间间隔一致，长和宽都为30mm，厚度为2mm，工作于915MHz。微带贴片天线2的尺寸小，利于减小相控阵天线的体积。此外，每个天线列的微带贴片天线2在竖向上的摆放方向一致，因而极化差异小，能实现近场极化匹配，进一步使所有电场在筒状的介质基板1内实现有效叠加，获得良好的近场聚焦特性。馈电网络用于向微带贴片天线2馈入射频信号，微带贴片天线2接收馈入的射频信号后，向介质基板1的空间内辐射电磁波。介质基板1的底板内部设有相控阵天线控制装置，它能改变微带贴片天线2的振幅和相位，使电场叠加的能量集中在筒内预期部位，实现波束聚焦；又可以通过改变幅度相位分布，使波束聚焦点在空间中快速移动，实现波束扫描。此外，本相控阵天线采用3D打印一体化成形技术加工而成，能使整个相控阵天线的结构更加紧凑。本发明的一种相控阵天线，结构紧凑，近场极化匹配，聚焦效率高，在介质基板1内部预期位置都能获得近场聚焦和波束扫描，利于适形治疗。

所述馈电网络包括若干个馈电单元；所述馈电单元和天线列一一对应；所述馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5；每个馈电单元的带状线5与对应的天线列的微带贴片天线2一一配合；所述下金属地板4位于介质基板1的外侧壁；所述上金属地板3位于介质基板1的夹层；若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间；所述带状线5底部设有馈电接口6；所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23；所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁；所述金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5；所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3。由上述结构可知，馈电单元包括上金属地板3、下金属地板4和若干个带状线5，下金属地板4位于介质基板1的外侧壁，所述上金属地板3位于介质基板1的夹层。上金属地板3和下金属地板4尺寸一致，位置对应。若干个带状线5位于上金属地板3、下金属地板4之间，所述带状线5底部设有馈电接口6。介质基板1外侧面的底部开有若干个小口，将内部埋有的带状线5的部分导线露出，这些小口即为馈电接口6，它能接受从底板馈入的射频信号。所述微带贴片天线2包括辐射贴片21、金属馈电柱22和金属短路柱23，辐射贴片21为微带贴片天线2的辐射主体结构，辐射贴片21将从馈电网络接收到的导行波转换为在介质基板1内部空间中传播的电磁波。辐射贴片21为不对称U型，U形两边一长一短，金属馈电柱22位于辐射贴片21的长边上，直径为0.5mm，作为微带贴片天线2的馈电激励端口。金属短路柱23同样位于辐射贴片21的长边，并设在金属馈电柱22下方，直径为0.5mm。所述辐射贴片21位于介质基板1的内侧壁，金属馈电柱22连接辐射贴片21和配合的带状线5，射频信号从馈电接口6进入带状线5，由带状线5运输至金属馈电柱22，最后由金属馈电柱22馈入辐射贴片21，实现向微带贴片天线2馈电的功能。每个微带贴片天线2都有独立的馈电单元，其幅度、相位等参数都可以单独调整控制，利于在介质基板1内的预期位置实施微波聚焦、波束扫描，进一步实现适形治疗。所述金属短路柱23连接辐射贴片21和对应的上金属地板3，可以使微带贴片天线2的谐振频率明显下降，利于实现天线的小型化。

所述微带贴片天线2还包括金属围框24和若干个第一金属屏蔽柱25；所述金属围框24设在辐射贴片21四周；若干个第一金属屏蔽柱25均匀分布在金属围框24上；所述第一金属屏蔽柱25连接金属围框24和对应的下金属地板4。由上述结构可知，金属围框24与若干个第一金属屏蔽柱25配合，并连接对应的下金属地板4，能起到增加各个微带贴片天线2间隔离度的作用。

所述辐射贴片21形状为不对称U形。由上述结构可知，本发明对贴片进行折叠设计，使贴片形状为不对称U形，U形两边一长一短，能减小微带贴片天线2的体积，利于实现天线的小型化。本发明的微带贴片天线2优势众多，结构紧凑、集成度高，体积小，且具有低剖面特点。

每条带状线5两侧设有若干个第二金属屏蔽柱26。由上述结构可知，每条带状线5两侧都设置有若干个第二金属屏蔽柱26，每根第二金属屏蔽柱26之间有一定距离。设置第二金属屏蔽柱26的目的是降低各条带状线5之间的互耦现象，进一步减少对相邻带状线5产生的影响，从而保证信号传输的可靠性。

一种微波热疗设备，包括相控阵天线系统7和去离子水循环系统8；所述相控阵天线系统7包括权利要求1至5中任一权利要求所述的相控阵天线；所述相控阵天线的介质基板1上设有进水口和出水口；所述去离子水循环系统8通过进水管连接进水口，通过出水管连接出水口。由上述结构可知，相控阵天线的底板内置相控阵天线控制装置，相控阵天线控制装置包括射频板、供电板和波控子板，它们分别具有射频、供电和波控的功能。由于相控阵天线内每个天线列的微带贴片天线2在空间中摆放方向一致且能够单独调整幅度和相位，利于极化匹配，电磁波聚焦效率高。相控阵天线能根据系统内置的近场方向图综合算法在患者的生物组织11表面速变换聚焦位置实施波束扫描，进一步的实现适形治疗。相控阵天线系统7外形为底部密封上面开口的圆筒，不仅用于放置生物组织11进行微波热疗，还能盛装去离子水循环系统8的去离子水，结构设计巧妙，一举多得。而被封装在相控阵天线底部的射频板、供电板和波控子板整体结构防水，功能不受注水与否的影响。相控阵天线的介质基板1上设有进水口和出水口，去离子水循环系统8通过进水管连接进水口，通过出水管连接出水口。去离子水循环系统8上还设有水箱、水泵和冷凝器，水箱用于储存去离子水，水泵用于向筒状的介质基板1内部供水，冷凝器用于对水箱中的去离子水进行降温。进水口位置设在介质基板1一侧上部，使用时，出水口先处于关闭状态，去离子水通过水泵和进水管，向介质基板1的进水口注水，患者乳房组织置于介质基板1内部，与去离子水直接接触。待去离子水漫过进水口位置时，出水口打开，出水口位置设在介质基板1另一侧下部，水流通过出水管回到水箱内，实现水流循环功能，使去离子水循环系统8中的水处于流动状态。进、出水口一高一低，分布在介质基板1两侧，新注入的去离子水通过进水口流入介质基板1内的上部，让患者的乳房组织第一时间接触到新注入的、被冷却过的去离子水。去离子水循环系统8能保证乳房组织与去离子水直接接触，使乳房表面各处均匀散热；去离子水不断循环降温，提升整体散热效果。

还包括控制器9和测温定位系统10；所述相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10分别和控制器9电连接；所述介质基板1内设有生物组织11；所述生物组织11表面分为若干个测温区；所述测温定位系统10用于监测各测温区的温度和介质基板1内放置的去离子水的温度，并将各测温区的温度信息和介质基板1内放置的去离子水的温度信息传递给控制器9；所述控制器9用于控制和记录相控阵天线的各微带贴片天线2馈入的微波幅度和相位以及去离子水循环系统8的运行。由上述结构可知，控制器9外连220v交流电源，为整个设备供电；还与相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10分别电连接，控制器9内置微波热疗设备的控制方法，可控制相控阵天线系统7、去离子水循环系统8、测温定位系统10的运作。控制器9连接相控阵天线系统7的相控阵天线控制装置，通过控制器9输入的波控指令，控制器9能控制相控阵天线控制装置对各微带贴片天线2馈入的微波幅度和相位进行调整，并进行数据记录。控制器9连接去离子水循环系统8，通过控制进出水口开关、水泵和冷凝器，控制注水、排水速度和温度等参数，进一步控制介质基板1内的水温，保证生物组织11表皮温度不会过高。测温定位系统10一端为若干条预设编号的超细热电偶测温线，直径为0.1mm，用较小尺寸的薄胶布固定于放置在介质基板1内的生物组织11，即乳房组织，表面分为若干个测温区，与预设编号的超细热电偶测温线一一对应，故测温定位系统10能记录各测温区的温度信息。此外，还有一根超细热电偶测温线置于介质基板1内部，用于监测介质基板1内放置的去离子水的温度。然后若干条线超细热电偶测温线连接的导线并为一条，另一端与控制器9电连接，控制器9记录各测温区的温度、位置信息和介质基板1内的去离子水的温度信息，控制器9可以根据从测温定位系统10收到的介质基板1内去离子水的温度，调整去离子水循环系统8的参数，保证在微波热疗过程中，去离子水的水温适宜，对患者生物组织11散热效果好，减轻患者痛苦，减小对患者的损伤。在微波热疗开始前，控制器9会根据测温定位系统10和相控阵天线系统7的反馈的信息，利用内置微波热疗设备的控制方法调节参数，更改相控阵天线在介质基板1内的聚焦位置，针对生物组织11的具体情况进行适形治疗。在微波热疗过程中，还可以通过调整相控阵天线系统7的参数，优化治疗方案，调整聚焦位置，保证相控阵天线系统7的控制精度和长期工作的可靠性，提升微波热疗效果。本发明的微波热疗设备，可通过控制器9调整各系统参数，更改聚焦位置并进行波束扫描，在生物组织11任意位置实现适形治疗；去离子水与生物组织11直接接触，使其散热均匀、散热效果好。

微波热疗设备的控制方法，采用权利要求7所述的微波热疗设备，具体步骤包括构建数据包步骤、初始化步骤、微波治疗步骤和去离子水调温步骤；所述构建数据包步骤具体为：所述控制器9记录输送至各微带贴片天线2的微波幅度信息和相位信息，所述测温定位系统10将监测的各测温区的温度信息传递至控制器9，控制器9记录各测温区的温度信息，控制器9构建数据包，所述数据包包含各测温区的温度信息，各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息；所述初始化步骤具体为：在构建数据包步骤后，控制器9将数据包存储为第1数据包；控制器9不断改变输送至各微带贴片天线2的微波幅度和相位，每次改变时重复构建数据包步骤，控制器9将第i次改变产生的数据包存储为第i+1数据包，其中i+1大于各测温区的数量；控制器9从所有的数据包中分别选择出各测温区温度最高的数据包构成数据集；所述微波治疗步骤具体为：在初始化步骤后，当需要对生物组织的某个部位进行微波治疗时，确定该部位对应的测温区，控制器9从数据集中调取该测温区温度最高的数据包，然后按照该数据包中的各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息向各微带贴片天线2输送射频信号；所述去离子水调温步骤具体为：所述测温定位系统10将监测的介质基板1内放置的去离子水的温度所形成的去离子水的温度信息传递给控制器9，所述控制器9将去离子水的温度与预设的最高温度进行比较，当去离子水的温度大于预设的最高温度时，控制器9控制去离子水循环系统8的运行。由上述结构可知，控制器9内置微波热疗设备的控制方法，实现了数据储存，数据调取和去离子水调温功能。当测温区为三个时，构建数据包步骤中，控制器9记录各微带贴片天线2的微波幅度信息和相位信息、三个测温区的温度信息，并存储为第1数据包。在初始化步骤中，控制器9不断改变输送至各微带贴片天线2的微波幅度和相位，产生第2数据包、第3数据包、第4数据包……第i+1数据包。控制器9从所有数据包中对比第一测温区的温度信息，挑出第一测温区的温度最高的数据包，如第2数据包。然后以此类推，找出第二测温区和第三测温区的温度最高的数据包，如第6数据包、第9数据包。再将第2数据包、第6数据包和第9数据包构成数据集。然后进入微波治疗步骤，若生物组织11需要治疗的部位为第一测温区，则控制器9从数据集中调取第2数据包，并按照第2数据包中的各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息，向各微带贴片天线2输送微波，实施适形治疗。以此类推，治疗的部位为第二测温区时，控制器9从数据集中调取第6数据包。当生物组织11的情况发生改变，则重复构建数据包步骤、初始化步骤，创建新的数据集，并从新的数据集中挑选对应的数据包实施治疗。然后在微波热疗过程中，测温定位系统10将实时监测的介质基板1内放置的去离子水的温度，形成去离子水的温度信息并传递给控制器9，控制器9会时刻将去离子水的温度与预设的最高温度进行比较。当去离子水的温度大于预设的最高温度时，控制器9控制去离子水循环系统8的水泵增加水的流速，并控制冷凝器降低水箱内的去离子水的温度，加快水循环速度并降低水温，从而对介质基板1内放置的去离子水进行降温。当介质基板1内放置的去离子水的温度低于预设的最高温度时，控制器9关闭冷凝器，并控制水泵降低水的流速。

仿真图说明：

为了展现本发明相控阵天线的工作频率及极化效果，图6给出了微带贴片天线的S11仿真结果，图7给出了微带贴片天线的方向图仿真结果。

图6为微带贴片天线的S11仿真结果，可以看到该天线在915MHz处S11＜-18dB，故馈入的射频信号在915MHz时，可以被天线高效辐射出去。即，本发明的相控阵天线能在915MHz的频率下正常工作。

图7为微带贴片天线的方向图仿真结果，可以看到该天线法向增益为-32dBi，在±60°范围内主极化增益明显高于其交叉极化增益。因此，本发明的相控阵天线是理想的线极化天线，可以辐射理想的线极化波，极化纯度高，有利于电磁波高效率功率合成。

为了展现本发明相控阵天线近场聚焦和扫描能力，通过优化算法对所有微带贴片天线的幅度和相位进行优化，使其在预期位置实现近场聚焦和波束扫描。图8～图11分别给出了近场聚焦在Z方向不同U-V切平面的场强分布仿真图。

图8表示近场聚焦点扫描至U＝0，V＝0，Z＝-60mm时，该平面的场强分布仿真结果。此时电场聚焦中心在预期位置，周围电场强度明显低于焦点中心。

图9为近场聚焦点扫描至U＝60mm，V＝30mm，Z＝0mm时，该平面的场强分布仿真结果。由于该平面位于Z向中心位置，相控阵天线有效口径比偏离Z向中心位置时更大，电磁聚焦中心的焦斑更小。

图10为近场聚焦点扫描至U＝-75mm，V＝-35mm，Z＝30mm时，该平面的场强分布仿真结果。此时电场聚焦中心在U＝-75mm，V＝-35mm，Z＝30mm附近，周围电场强度明显低于焦点中心。

图11为近场聚焦点扫描至U＝-100mm，V＝0mm，Z＝100mm时，该平面的场强分布仿真结果。此时电场聚焦中心在U＝-100mm，V＝0mm，Z＝100mm附近，电场聚焦中心在预期位置，周围电场强度明显低于焦点中心。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种相控阵天线，其特征在于：包括介质基板(1)、馈电网络和若干个微带贴片天线(2)；所述介质基板(1)形状为圆筒状；所述介质基板(1)底部设有底板；所述介质基板(1)的侧壁上设有若干个环绕介质基板(1)中心排布的天线列；所述天线列包括若干个从上往下排列的微带贴片天线(2)；所述馈电网络用于向微带贴片天线(2)馈入射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于：所述馈电网络包括若干个馈电单元；所述馈电单元和天线列一一对应；所述馈电单元包括上金属地板(3)、下金属地板(4)和若干个带状线(5)；每个馈电单元的带状线(5)与对应的天线列的微带贴片天线(2)一一配合；所述下金属地板(4)位于介质基板(1)的外侧壁；所述上金属地板(3)位于介质基板(1)的夹层；若干个带状线(5)位于上金属地板(3)、下金属地板(4)之间；所述带状线(5)底部设有馈电接口(6)；所述微带贴片天线(2)包括辐射贴片(21)、金属馈电柱(22)和金属短路柱(23)；所述辐射贴片(21)位于介质基板(1)的内侧壁；所述金属馈电柱(22)连接辐射贴片(21)和配合的带状线(5)；所述金属短路柱(23)连接辐射贴片(21)和对应的上金属地板(3)。

3.根据权利要求2所述的一种相控阵天线，其特征在于：所述微带贴片天线(2)还包括金属围框(24)和若干个第一金属屏蔽柱(25)；所述金属围框(24)设在辐射贴片(21)四周；若干个第一金属屏蔽柱(25)均匀分布在金属围框(24)上；所述第一金属屏蔽柱(25)连接金属围框(24)和对应的下金属地板(4)。

4.根据权利要求3所述的一种相控阵天线，其特征在于：所述辐射贴片(21)形状为不对称U形。

5.根据权利要求4所述的一种相控阵天线，其特征在于：每条带状线(5)两侧设有若干个第二金属屏蔽柱(26)。

6.一种微波热疗设备，其特征在于：包括相控阵天线系统(7)和去离子水循环系统(8)；所述相控阵天线系统(7)包括权利要求1至5中任一权利要求所述的相控阵天线；所述相控阵天线的介质基板(1)上设有进水口和出水口；所述去离子水循环系统(8)通过进水管连接进水口，通过出水管连接出水口。

7.根据权利要求6所述的微波热疗设备，其特征在于：还包括控制器(9)和测温定位系统(10)；所述相控阵天线系统(7)、去离子水循环系统(8)、测温定位系统(10)分别和控制器(9)电连接；所述介质基板(1)内设有生物组织(11)；所述生物组织(11)表面分为若干个测温区；所述测温定位系统(10)用于监测各测温区的温度和介质基板(1)内放置的去离子水的温度，并将各测温区的温度信息和介质基板(1)内放置的去离子水的温度信息传递给控制器(9)；所述控制器(9)用于控制和记录相控阵天线的各微带贴片天线(2)馈入的微波幅度和相位以及去离子水循环系统(8)的运行。

8.微波热疗设备的控制方法，其特征在于：采用权利要求7所述的微波热疗设备，具体步骤包括构建数据包步骤、初始化步骤、微波治疗步骤和去离子水调温步骤；

所述构建数据包步骤具体为：所述控制器(9)记录输送至各微带贴片天线(2)的微波幅度信息和相位信息，所述测温定位系统(10)将监测的各测温区的温度信息传递至控制器(9)，控制器(9)记录各测温区的温度信息，控制器(9)构建数据包，所述数据包包含各测温区的温度信息，各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息；

所述初始化步骤具体为：在构建数据包步骤后，控制器(9)将数据包存储为第1数据包；控制器(9)不断改变输送至各微带贴片天线(2)的微波幅度和相位，每次改变时重复构建数据包步骤，控制器(9)将第i次改变产生的数据包存储为第i+1数据包，其中i+1大于各测温区的数量；控制器(9)从所有的数据包中分别选择出各测温区温度最高的数据包构成数据集；

所述微波治疗步骤具体为：在初始化步骤后，当需要对生物组织(11)的某个部位进行微波治疗时，确定该部位对应的测温区，控制器(9)从数据集中调取该测温区温度最高的数据包，然后按照该数据包中的各微带贴片天线幅度信息和各微带贴片天线相位信息向各微带贴片天线(2)输送射频信号；

所述去离子水调温步骤具体为：所述测温定位系统(10)将监测的介质基板(1)内放置的去离子水的温度所形成的去离子水的温度信息传递给控制器(9)，所述控制器(9)将去离子水的温度与预设的最高温度进行比较，当去离子水的温度大于预设的最高温度时，控制器(9)控制去离子水循环系统(8)的运行。

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