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微波热疗天线的设计与优化
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2017-11-14
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1 引言
微波热疗就是利用电磁能量在人体组织中所产生的热效应，使组织细胞温度升至41℃到45℃的有效治疗高温区，并且维持一定的时间，加速病变细胞的死亡，但不损伤正常细胞组织。因此合理设计辐射器天线的结构，精确计算辐射电场分布，是正确判断微波热疗过程温度热场分布的前提。本文采用CST仿真软件建立了微波热疗模型，通过该模型设计了一种高效实用的辐射天线，具有很好的近场辐射方向性，同时保证了良好的SAR分布。
2 微波热疗建模
2.1 天线模型
为了避免对组织细胞造成伤害，通常采用具有若方向性的圆波导天线，其工作频率为915MHz。然而，通过仿真分析发现，单纯的圆波导天线的电磁近场聚焦作用较差。为了使天线具有更好的辐射性能，设计中采用给圆波导加脊的方式，使得电磁场分布集中在两脊之间。为了保证阻抗的匹配，将同轴线的外导体连接在脊波导边上，内导体延伸至相对的脊内达到匹配，形成单极辐射器；同时脊为线性变化，阻抗由50Ω渐变到165Ω。如图1（a）所示，其中圆波导半径R=7.367cm，长度为L=16.78cm，壁厚t=0.35cm，后腔深度l=0.35cm，波导内脊间距h1=0.866cm，辐射口面脊间距h2=4.48cm，采用50Ω同轴馈电。
由于体膜表面电磁反射较大，为进一步提高治疗效率，须对其结构加以优化。为了获得更好的辐射效率，设计中采用介质填充圆波导天线腔体，并在天线口面加载厚度为
的三层介质实现匹配变换，该结构不仅可以抵消体模表面反射回波对天线的影响，而且可以增强电场的方向性，减小了电场能量的泄漏。结构如图1所示。
（a）加脊圆波导天线切面图
微波热疗就是利用电磁能量在人体组织中所产生的热效应，使组织细胞温度升至41℃到45℃的有效治疗高温区，并且维持一定的时间，加速病变细胞的死亡，但不损伤正常细胞组织。因此合理设计辐射器天线的结构，精确计算辐射电场分布，是正确判断微波热疗过程温度热场分布的前提。本文采用CST仿真软件建立了微波热疗模型，通过该模型设计了一种高效实用的辐射天线，具有很好的近场辐射方向性，同时保证了良好的SAR分布。
2 微波热疗建模
2.1 天线模型
为了避免对组织细胞造成伤害，通常采用具有若方向性的圆波导天线，其工作频率为915MHz。然而，通过仿真分析发现，单纯的圆波导天线的电磁近场聚焦作用较差。为了使天线具有更好的辐射性能，设计中采用给圆波导加脊的方式，使得电磁场分布集中在两脊之间。为了保证阻抗的匹配，将同轴线的外导体连接在脊波导边上，内导体延伸至相对的脊内达到匹配，形成单极辐射器；同时脊为线性变化，阻抗由50Ω渐变到165Ω。如图1（a）所示，其中圆波导半径R=7.367cm，长度为L=16.78cm，壁厚t=0.35cm，后腔深度l=0.35cm，波导内脊间距h1=0.866cm，辐射口面脊间距h2=4.48cm，采用50Ω同轴馈电。
由于体膜表面电磁反射较大，为进一步提高治疗效率，须对其结构加以优化。为了获得更好的辐射效率，设计中采用介质填充圆波导天线腔体，并在天线口面加载厚度为
的三层介质实现匹配变换，该结构不仅可以抵消体模表面反射回波对天线的影响，而且可以增强电场的方向性，减小了电场能量的泄漏。结构如图1所示。（a）加脊圆波导天线切面图
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