一种基于螺旋天线的微波聚焦球面阵列天线的制作方法

本发明涉及阵列天线领域，尤其是一种微波聚焦阵列天线。
背景技术：
：近年来，微波聚焦技术逐渐成熟，运用十分广泛，如应用于医学的微波热疗法治疗肿瘤，工业的热裂法切削等。目前国内多采用微波热疗方法是微波介入治疗系统，即将一根特制微波针，经皮穿刺到肿瘤中心区域，在微波针的某一点上含有一个1毫米大小的“微型微波炉”，由它释放的微波磁场可以使周围的分子高速旋转运动并摩擦升温，从而使组织凝固、脱水坏死，达到治疗的目的。微波介入式治疗还存在部分缺点亟需解决，微波介入式治疗需要将热疗天线深入人体内部，直达病灶部位，因此会在人的身体上留下创口，造成不必要的创伤，同时，治疗完成后微波探针具有较高的温度，在取出时也会对人体正常部位造成损伤。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于螺旋天线的微波聚焦球面阵列天线，采用微波体外热疗方式，利用天线阵列在近场将能量聚焦到一个较小的区域，在肿瘤区域产生热积聚，从而破坏肿瘤细胞的生物结构使其坏死，达到治疗的目的，本发明不需要将天线深入人体内部即可达到体外无创伤治疗。本发明所设计的基于螺旋天线的微波聚焦球面阵列天线由阵元构成，所述阵元采用工作于轴向模式、辐射波为圆极化波的n圈螺旋天线，螺旋天线外加高度为H半径为R的圆柱状接地面，阵元采用50Ω同轴线进行馈电，同轴线外导体与接地面相接，同轴线内导体伸出接地面与螺旋导体相接形成短路支节线，螺旋导体的起始端与接地面相接，螺旋导体与短路支节线以及接地面形成终端短路渐变传输线；所述阵元的阵列排布采用球面阵列的方式，阵元分布于半球体表面，各阵元关于球心中心对称，各阵元的旋向相同，阵元最大辐射方向均沿着球体的径向指向球心，球体内部填充电介质材料，将半球体口径平面紧贴人体表面，使辐射能量在介质中传输并进入人体。所述基于螺旋天线的微波聚焦球面阵列天线的球体内部填充的电介质材料的相对介电常数为49，介质损耗角正切小于0.1％。本发明所述的基于螺旋天线的微波聚焦球面阵列天线采用960MHz的工作频点。本发明的有益效果在于阵元采用工作于轴向模式的螺旋天线具有良好的聚束效果，近场能量更加集中，提升整个阵列的聚焦性能，短路支节线的使用提升了天线在窄频带内的传输特性，拥有更好的驻波比，球面阵列实现了各阵元的等幅同相馈电，相比于平面聚焦阵列采用相位差实现等幅同相馈电，球面阵列更加方便易行，各阵元对称分布，各阵元辐射的电磁波在非球心处产生相位差从而叠加相消，提升了阵列天线的聚焦性能，整个阵列放置在填充满仿人体介质中，不仅减小了阵列天线的尺寸，也减小了电磁波进入人体时的界面反射。附图说明图1是本发明的天线结构图，其中图1(a)是螺旋天线结构主视图，图1(b)是螺旋天线结构俯视图。图2是螺旋天线的性能参数图，其中图2(a)是螺旋天线的反射系数|S(1,1)|图，阵元在960MHz处的反射系数达到了-15dB以下，图2(b)是螺旋天线的阻抗Z(1,1)图。图3是本发明球面阵列俯视图。图4是本发明N＝21元阵列空间场强幅度分布图。其中，图1(a)中1-为短路支节线，2-螺旋导体与接地板相接处，3--馈电端口，即短路支节线与螺旋导体连接处，同轴线内导体直径为1.27mm，外导体直径为4.1mm，；4-螺旋导体接地处，为外导体直径4.1mm加外导体壁厚0.1mm，Φ＝0.32λ为螺旋天线直径，A-螺旋天线的轴向长度，r-螺旋天线的半径，R-圆柱状接地面的半径，H-圆柱状接地面的高度，α-螺旋节距的升角，图3中R1、R2、R3、R球分别为天线阵列第一圈、第二圈、第三圈以及球体的半径，球体球心即就是聚焦焦点。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明设计了一种基于螺旋天线、工作于960MHz的近场聚焦球面阵列天线，在自由空间中实现能量聚集，形成聚焦焦斑，该阵列天线具有小型化、馈电方便、结构简单、聚焦性能好、与人体之间的界面反射小的优点。本发明所述的微波聚焦球面阵列天线包含阵元，所述阵元采用工作于轴向模式、辐射波为圆极化波的n圈螺旋天线，螺旋天线外加高度为H半径为R的圆柱状接地面，阵元采用50Ω同轴线进行馈电，同轴线外导体与接地面相接，同轴线内导体伸出接地面与螺旋导体相接形成短路支节线，螺旋导体的起始端与接地面相接，螺旋导体与短路支节线以及接地面形成终端短路渐变传输线。所述阵元的阵列排布采用球面阵列的方式，阵元分布于半球体表面，各阵元关于球心中心对称，各阵元的旋向相同，阵元最大辐射方向均沿着球体的径向指向球心。球体内部填充相对介电常数为49，介质损耗角正切小于0.1％的电介质材料，使用时采用960MHz的工作频点，将半球体口径平面紧贴人体表面，使辐射能量在介电常数为49的介质中传输并最终进入人体，以减少从辐射源到人体之间的界面反射。本发明采用960MHz的工作频点，工业常用的微波频率为960MHz和2450MHz，微波作为功率源，在低频时具有穿透能力、强损耗衰减小的特点，因此我们选用较低频率960MHz。本发明设计的阵元螺旋天线如图1(a)和图1(b)所示，具体的尺寸参数如表1所示：变量数值变量数值Sλ0.25λn3Cλλd1.27mmα14°R0.625λA0.75λH0.75λ表1表1中S表示螺旋邻圈之间的节距，表中Sλ＝S/λ,C表示螺旋的周长，表中Cλ＝C/λ，对应图1(a)中螺旋半径r＝0.16λ，α表示螺旋节距的升角，α＝arctan(S/C)，A表示螺旋的轴向长度，n表示螺旋圈数，d表示螺旋导体的直径，R表示圆柱状接地面的半径，H表示圆柱状接地面的高度。本发明设计的阵列如图3所示，具体的尺寸参数如表2所示：变量数值R11.04λR22.54λR34.16λRI6.0λεr49N21表2表2中εr表示球体内所填充介质的相对介电常数。具体实施方法为：天线单元通过同轴线轴向馈电，按图3所示位置排放于半球体内部，各阵元螺旋向均相同，保证各阵元辐射电磁波的极化方向相同，天线轴向沿着球体半径方向指向球心，使阵元天线的最大辐射方向指向球心，保证各单元等幅同相馈电，球体内部填充相对介电常数为εr＝49，介质损耗角正切小于0.1％的电介质材料，降低电磁波穿透皮肤时的界面反射，天线单元与接地板均为金属导体。用电磁仿真软件HFSS对螺旋天线单元模型进行仿真优化，天线在960MHz附近的窄频带内有良好的驻波比，并且在960MHz附近阻抗实部在50～60欧姆之间，虚部在-4～+4欧姆之间波动，可与50欧姆同轴线相连进行良好馈电，图2为天线单元的仿真结果图，回波损耗能达到15dB以下，满足设计需求。对聚焦阵列天线进行仿真优化，此时，阵列天线在近场辐射能量幅值分布如图4所示，阵列天线近场能量在球心处实现了聚焦，形成枣核形的焦斑。当前第1页1 2 3