微波熱療陣列天線設計

王守源 張麗華 臧家偉 王學田

【摘要】? ? 基于電磁聚焦理論，本文設計一種工作于2.45GHz的4×4近場聚焦微帶陣列天線。選取具有寬帶特性的U形槽天線作為陣元，通過調整微帶饋線的長度，控制每個輻射單元的電場在給定點處相位相同，實現(xiàn)同向疊加，達到近場聚焦的目的。利用三維電磁仿真軟件HFSS18對陣列天線進行仿真，結果表明：聚焦天線可以很好的在焦點位置實現(xiàn)聚焦。該陣列天線可用于微波體外熱療。

【關鍵詞】? ? 微波熱療? ? 近場聚焦? ? 微帶天線? ? 陣列天線

引言

微波熱療指的是利用微波在生物組織中的熱效應，使組織升溫將腫瘤細胞滅殺，達到治療目的的技術方法。微波熱療[1]分為體內熱療和體外熱療兩種，前者要求將天線插入人體內，利用天線的熱效應對腫瘤進行治療;后者要求利用近場聚焦天線[2]將微波能量聚集到較小區(qū)域。聚焦天線可以將電磁波聚焦到目標位置，而微帶陣列天線具有結構簡單，體積較小，易于共形，成本較低等優(yōu)點，并且可以通過移相器控制傳輸相位實現(xiàn)近場聚焦，是微波熱療天線的優(yōu)先選擇。

本文設計了一種用于體外熱療的4×4微帶陣列天線，天線總體尺寸為305mm×310mm×1.6mm，結構簡單，體積較小。

一、微帶陣列天線結構設計

本文設計的近場聚焦微帶天線陣列如圖1所示。

1.1微帶貼片單元設計

選擇U形槽天線[3]作為陣列天線的陣元，中心頻率為2.45GHz的醫(yī)用電磁波頻率。在輻射貼片開槽可以改變貼片中電流分布，激發(fā)相對較低的諧振頻率，與較高諧振頻率相互作用，擴展微帶天線的帶寬。介質板材料為FR4（εr=4.4），厚度為1.6mm。采用特性阻抗100歐姆的微帶線對陣元進行饋電。圖2為貼片單元的反射系數(shù)。

1.2近場聚焦微帶陣列設計

以上一小節(jié)微帶貼片單元構建4×4陣元數(shù)的近場聚焦微帶陣列，采用并饋的微帶功分網絡對陣元進行饋電。為減小耦合效應，天線之間的距離需大于0.5倍波長。為避免天線方向圖出現(xiàn)柵瓣，因此陣元間距要小于一個波長。本文種陣元之間的距離d為0.7倍波長[4]。

通過改變陣元之間的傳輸線的距離來補償各單元之間的相位差，使各陣元之間的相位到達近場某個焦點時相差一個波長的倍數(shù)實現(xiàn)聚焦[5] 。

本文天線設定聚焦點距離陣列天線的距離zf為400mm，天線左上4個陣元所需補償微帶線長度增加分別為0mm，9.65mm，9.65mm，19.69mm。由對稱關系可知，其他12個陣元微帶線增加長度與左上2×2陣元相同。

二、仿真與結果

本文所設計的聚焦微帶陣列天線的仿真結果如下。圖3為天線反射系數(shù)S11曲線。從圖中可以看出天線反射系數(shù)小于-10dB的工作帶寬為2.33-2.52GHz，其中在醫(yī)用頻段2.45GHz處，S11為-20.65dB，說明天線阻抗匹配較好，微帶陣列天線輻射效率高。

圖4為聚焦微帶陣列天線沿z軸方向歸一化的電場強度仿真結果，該曲線表明，最大電場強度出現(xiàn)在305mm處，天線的聚焦深度為165mm。微帶陣列天線每個陣元所輻射的電磁波到達聚焦點時實現(xiàn)同向疊加，從而實現(xiàn)能量聚焦。

圖5為電場最大強度處平行于聚焦陣列天線平面的電場分布圖?？梢钥闯?，聚焦天線電場強度衰減3dB時，形成一個直徑約為100mm的圓形焦斑，電場強度在中心處最集中，四周逐漸減弱，說明該陣列天線可以實現(xiàn)聚焦功能。

三、結論

基于近場聚焦理論，本文設計了一種可實現(xiàn)近場聚焦的微帶陣列天線。選取U形槽天線作為陣列天線的陣元，調節(jié)饋電點到陣元之間的微帶線長度，實現(xiàn)各陣元輻射的電磁波在聚焦點處同向相加。通過仿真計算，該陣列天線聚焦于距離天線表面305mm處，聚焦深度約為165mmm，焦平面3dB范圍是直徑約為100mm的圓形光斑，能夠很好的實現(xiàn)近場聚焦。該天線可用于醫(yī)療微波熱療。

參? 考? 文? 獻

[1]馬立冬，白佳俊，付云起.8mm點聚焦透鏡天線設計[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（11）：79-81.

[2]艾海明，吳水才，趙磊，高宏建，曾毅.微波熱療中的關鍵技術及其熱點問題[J].中國組織工程研究與臨床康復，2009，13（04）：731-734.

[3]Khidre A，Lee K F，Elsherbeni A Z，et al.Wide Band Dual-Beam U-Slot Microstrip Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2013，61（3）：1415-1418.

[4]Levine E，Malamud G，Shtrikman S，et al.A study of microstrip array antennas with the feed network[J].IEEE transactions on antennas and propagation，1989，37（4）：426-434.

[5]趙偉，韋高，陳柏嘉.近場聚焦微帶陣列天線研究[J].微波學報，2014，30（2）：46-48.