王守源 張麗華 臧家偉 王學(xué)田

【摘要】? ? 基于電磁聚焦理論，本文設(shè)計(jì)一種工作于2.45GHz的4×4近場(chǎng)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(guò)調(diào)整微帶饋線的長(zhǎng)度，控制每個(gè)輻射單元的電場(chǎng)在給定點(diǎn)處相位相同，實(shí)現(xiàn)同向疊加，達(dá)到近場(chǎng)聚焦的目的。利用三維電磁仿真軟件HFSS18對(duì)陣列天線進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：聚焦天線可以很好的在焦點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)聚焦。該陣列天線可用于微波體外熱療。

【關(guān)鍵詞】? ? 微波熱療? ? 近場(chǎng)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(yīng)，使組織升溫將腫瘤細(xì)胞滅殺，達(dá)到治療目的的技術(shù)方法。微波熱療[1]分為體內(nèi)熱療和體外熱療兩種，前者要求將天線插入人體內(nèi)，利用天線的熱效應(yīng)對(duì)腫瘤進(jìn)行治療;后者要求利用近場(chǎng)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(biāo)位置，而微帶陣列天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，易于共形，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)移相器控制傳輸相位實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦，是微波熱療天線的優(yōu)先選擇。

本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。

一、微帶陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的近場(chǎng)聚焦微帶天線陣列如圖1所示。

1.1微帶貼片單元設(shè)計(jì)

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(kāi)槽可以改變貼片中電流分布，激發(fā)相對(duì)較低的諧振頻率，與較高諧振頻率相互作用，擴(kuò)展微帶天線的帶寬。介質(zhì)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(duì)陣元進(jìn)行饋電。圖2為貼片單元的反射系數(shù)。

1.2近場(chǎng)聚焦微帶陣列設(shè)計(jì)

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

通過(guò)改變陣元之間的傳輸線的距離來(lái)補(bǔ)償各單元之間的相位差，使各陣元之間的相位到達(dá)近場(chǎng)某個(gè)焦點(diǎn)時(shí)相差一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)實(shí)現(xiàn)聚焦[5] 。

本文天線設(shè)定聚焦點(diǎn)距離陣列天線的距離zf為400mm，天線左上4個(gè)陣元所需補(bǔ)償微帶線長(zhǎng)度增加分別為0mm，9.65mm，9.65mm，19.69mm。由對(duì)稱關(guān)系可知，其他12個(gè)陣元微帶線增加長(zhǎng)度與左上2×2陣元相同。

二、仿真與結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的聚焦微帶陣列天線的仿真結(jié)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(shuō)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(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果，該曲線表明，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在305mm處，天線的聚焦深度為165mm。微帶陣列天線每個(gè)陣元所輻射的電磁波到達(dá)聚焦點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)同向疊加，從而實(shí)現(xiàn)能量聚焦。

圖5為電場(chǎng)最大強(qiáng)度處平行于聚焦陣列天線平面的電場(chǎng)分布圖。可以看出，聚焦天線電場(chǎng)強(qiáng)度衰減3dB時(shí)，形成一個(gè)直徑約為100mm的圓形焦斑，電場(chǎng)強(qiáng)度在中心處最集中，四周逐漸減弱，說(shuō)明該陣列天線可以實(shí)現(xiàn)聚焦功能。

三、結(jié)論

基于近場(chǎng)聚焦理論，本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)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(diào)節(jié)饋電點(diǎn)到陣元之間的微帶線長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)各陣元輻射的電磁波在聚焦點(diǎn)處同向相加。通過(guò)仿真計(jì)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(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦。該天線可用于醫(yī)療微波熱療。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]馬立冬，白佳俊，付云起.8mm點(diǎn)聚焦透鏡天線設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)及其熱點(diǎn)問(wèn)題[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，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(chǎng)聚焦微帶陣列天線研究[J].微波學(xué)報(bào)，2014，30（2）：46-48.