微波热疗阵列天线设计

王守源 张丽华 臧家伟 王学田

【摘要】    基于电磁聚焦理论，本文设计一种工作于2.45GHz的4×4近场聚焦微带阵列天线。选取具有宽带特性的U形槽天线作为阵元，通过调整微带馈线的长度，控制每个辐射单元的电场在给定点处相位相同，实现同向叠加，达到近场聚焦的目的。利用三维电磁仿真软件HFSS18对阵列天线进行仿真，结果表明：聚焦天线可以很好的在焦点位置实现聚焦。该阵列天线可用于微波体外热疗。

【关键词】    微波热疗    近场聚焦    微带天线    阵列天线

引言

微波热疗指的是利用微波在生物组织中的热效应，使组织升温将肿瘤细胞灭杀，达到治疗目的的技术方法。微波热疗[1]分为体内热疗和体外热疗两种，前者要求将天线插入人体内，利用天线的热效应对肿瘤进行治疗;后者要求利用近场聚焦天线[2]将微波能量聚集到较小区域。聚焦天线可以将电磁波聚焦到目标位置，而微带阵列天线具有结构简单，体积较小，易于共形，成本较低等优点，并且可以通过移相器控制传输相位实现近场聚焦，是微波热疗天线的优先选择。

本文设计了一种用于体外热疗的4×4微带阵列天线，天线总体尺寸为305mm×310mm×1.6mm，结构简单，体积较小。

一、微带阵列天线结构设计

本文设计的近场聚焦微带天线阵列如图1所示。

1.1微带贴片单元设计

选择U形槽天线[3]作为阵列天线的阵元，中心频率为2.45GHz的医用电磁波频率。在辐射贴片开槽可以改变贴片中电流分布，激发相对较低的谐振频率，与较高谐振频率相互作用，扩展微带天线的带宽。介质板材料为FR4（εr=4.4），厚度为1.6mm。采用特性阻抗100欧姆的微带线对阵元进行馈电。图2为贴片单元的反射系数。

1.2近场聚焦微带阵列设计

以上一小节微带贴片单元构建4×4阵元数的近场聚焦微带阵列，采用并馈的微带功分网络对阵元进行馈电。为减小耦合效应，天线之间的距离需大于0.5倍波长。为避免天线方向图出现栅瓣，因此阵元间距要小于一个波长。本文种阵元之间的距离d为0.7倍波长[4]。

通过改变阵元之间的传输线的距离来补偿各单元之间的相位差，使各阵元之间的相位到达近场某个焦点时相差一个波长的倍数实现聚焦[5] 。

本文天线设定聚焦点距离阵列天线的距离zf为400mm，天线左上4个阵元所需补偿微带线长度增加分别为0mm，9.65mm，9.65mm，19.69mm。由对称关系可知，其他12个阵元微带线增加长度与左上2×2阵元相同。

二、仿真与结果

本文所设计的聚焦微带阵列天线的仿真结果如下。图3为天线反射系数S11曲线。从图中可以看出天线反射系数小于-10dB的工作带宽为2.33-2.52GHz，其中在医用频段2.45GHz处，S11为-20.65dB，说明天线阻抗匹配较好，微带阵列天线辐射效率高。

图4为聚焦微带阵列天线沿z轴方向归一化的电场强度仿真结果，该曲线表明，最大电场强度出现在305mm处，天线的聚焦深度为165mm。微带阵列天线每个阵元所辐射的电磁波到达聚焦点时实现同向叠加，从而实现能量聚焦。

图5为电场最大强度处平行于聚焦阵列天线平面的电场分布图。可以看出，聚焦天线电场强度衰减3dB时，形成一个直径约为100mm的圆形焦斑，电场强度在中心处最集中，四周逐渐减弱，说明该阵列天線可以实现聚焦功能。

三、结论

基于近场聚焦理论，本文设计了一种可实现近场聚焦的微带阵列天线。选取U形槽天线作为阵列天线的阵元，调节馈电点到阵元之间的微带线长度，实现各阵元辐射的电磁波在聚焦点处同向相加。通过仿真计算，该阵列天线聚焦于距离天线表面305mm处，聚焦深度约为165mmm，焦平面3dB范围是直径约为100mm的圆形光斑，能够很好的实现近场聚焦。该天线可用于医疗微波热疗。

参  考  文  献

[1]马立冬，白佳俊，付云起.8mm点聚焦透镜天线设计[J].现代电子技术，2016，39（11）：79-81.

[2]艾海明，吴水才，赵磊，高宏建，曾毅.微波热疗中的关键技术及其热点问题[J].中国组织工程研究与临床康复，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]赵伟，韦高，陈柏嘉.近场聚焦微带阵列天线研究[J].微波学报，2014，30（2）：46-48.