一種基于螺旋天線的微波聚焦球面陣列天線的制作方法

本發明涉及陣列天線領域，尤其是一種微波聚焦陣列天線。
背景技術：
：近年來，微波聚焦技術逐漸成熟，運用十分廣泛，如應用于醫學的微波熱療法治療腫瘤，工業的熱裂法切削等。目前國內多采用微波熱療方法是微波介入治療系統，即將一根特制微波針，經皮穿刺到腫瘤中心區域，在微波針的某一點上含有一個1毫米大小的“微型微波爐”，由它釋放的微波磁場可以使周圍的分子高速旋轉運動并摩擦升溫，從而使組織凝固、脫水壞死，達到治療的目的。微波介入式治療還存在部分缺點亟需解決，微波介入式治療需要將熱療天線深入人體內部，直達病灶部位，因此會在人的身體上留下創口，造成不必要的創傷，同時，治療完成后微波探針具有較高的溫度，在取出時也會對人體正常部位造成損傷。技術實現要素：為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于螺旋天線的微波聚焦球面陣列天線，采用微波體外熱療方式，利用天線陣列在近場將能量聚焦到一個較小的區域，在腫瘤區域產生熱積聚，從而破壞腫瘤細胞的生物結構使其壞死，達到治療的目的，本發明不需要將天線深入人體內部即可達到體外無創傷治療。本發明所設計的基于螺旋天線的微波聚焦球面陣列天線由陣元構成，所述陣元采用工作于軸向模式、輻射波為圓極化波的n圈螺旋天線，螺旋天線外加高度為H半徑為R的圓柱狀接地面，陣元采用50Ω同軸線進行饋電，同軸線外導體與接地面相接，同軸線內導體伸出接地面與螺旋導體相接形成短路支節線，螺旋導體的起始端與接地面相接，螺旋導體與短路支節線以及接地面形成終端短路漸變傳輸線；所述陣元的陣列排布采用球面陣列的方式，陣元分布于半球體表面，各陣元關于球心中心對稱，各陣元的旋向相同，陣元最大輻射方向均沿著球體的徑向指向球心，球體內部填充電介質材料，將半球體口徑平面緊貼人體表面，使輻射能量在介質中傳輸并進入人體。所述基于螺旋天線的微波聚焦球面陣列天線的球體內部填充的電介質材料的相對介電常數為49，介質損耗角正切小于0.1％。本發明所述的基于螺旋天線的微波聚焦球面陣列天線采用960MHz的工作頻點。本發明的有益效果在于陣元采用工作于軸向模式的螺旋天線具有良好的聚束效果，近場能量更加集中，提升整個陣列的聚焦性能，短路支節線的使用提升了天線在窄頻帶內的傳輸特性，擁有更好的駐波比，球面陣列實現了各陣元的等幅同相饋電，相比于平面聚焦陣列采用相位差實現等幅同相饋電，球面陣列更加方便易行，各陣元對稱分布，各陣元輻射的電磁波在非球心處產生相位差從而疊加相消，提升了陣列天線的聚焦性能，整個陣列放置在填充滿仿人體介質中，不僅減小了陣列天線的尺寸，也減小了電磁波進入人體時的界面反射。附圖說明圖1是本發明的天線結構圖，其中圖1(a)是螺旋天線結構主視圖，圖1(b)是螺旋天線結構俯視圖。圖2是螺旋天線的性能參數圖，其中圖2(a)是螺旋天線的反射系數|S(1,1)|圖，陣元在960MHz處的反射系數達到了-15dB以下，圖2(b)是螺旋天線的阻抗Z(1,1)圖。圖3是本發明球面陣列俯視圖。圖4是本發明N＝21元陣列空間場強幅度分布圖。其中，圖1(a)中1-為短路支節線，2-螺旋導體與接地板相接處，3--饋電端口，即短路支節線與螺旋導體連接處，同軸線內導體直徑為1.27mm，外導體直徑為4.1mm，；4-螺旋導體接地處，為外導體直徑4.1mm加外導體壁厚0.1mm，Φ＝0.32λ為螺旋天線直徑，A-螺旋天線的軸向長度，r-螺旋天線的半徑，R-圓柱狀接地面的半徑，H-圓柱狀接地面的高度，α-螺旋節距的升角，圖3中R1、R2、R3、R球分別為天線陣列第一圈、第二圈、第三圈以及球體的半徑，球體球心即就是聚焦焦點。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。本發明設計了一種基于螺旋天線、工作于960MHz的近場聚焦球面陣列天線，在自由空間中實現能量聚集，形成聚焦焦斑，該陣列天線具有小型化、饋電方便、結構簡單、聚焦性能好、與人體之間的界面反射小的優點。本發明所述的微波聚焦球面陣列天線包含陣元，所述陣元采用工作于軸向模式、輻射波為圓極化波的n圈螺旋天線，螺旋天線外加高度為H半徑為R的圓柱狀接地面，陣元采用50Ω同軸線進行饋電，同軸線外導體與接地面相接，同軸線內導體伸出接地面與螺旋導體相接形成短路支節線，螺旋導體的起始端與接地面相接，螺旋導體與短路支節線以及接地面形成終端短路漸變傳輸線。所述陣元的陣列排布采用球面陣列的方式，陣元分布于半球體表面，各陣元關于球心中心對稱，各陣元的旋向相同，陣元最大輻射方向均沿著球體的徑向指向球心。球體內部填充相對介電常數為49，介質損耗角正切小于0.1％的電介質材料，使用時采用960MHz的工作頻點，將半球體口徑平面緊貼人體表面，使輻射能量在介電常數為49的介質中傳輸并最終進入人體，以減少從輻射源到人體之間的界面反射。本發明采用960MHz的工作頻點，工業常用的微波頻率為960MHz和2450MHz，微波作為功率源，在低頻時具有穿透能力、強損耗衰減小的特點，因此我們選用較低頻率960MHz。本發明設計的陣元螺旋天線如圖1(a)和圖1(b)所示，具體的尺寸參數如表1所示：變量數值變量數值Sλ0.25λn3Cλλd1.27mmα14°R0.625λA0.75λH0.75λ表1表1中S表示螺旋鄰圈之間的節距，表中Sλ＝S/λ,C表示螺旋的周長，表中Cλ＝C/λ，對應圖1(a)中螺旋半徑r＝0.16λ，α表示螺旋節距的升角，α＝arctan(S/C)，A表示螺旋的軸向長度，n表示螺旋圈數，d表示螺旋導體的直徑，R表示圓柱狀接地面的半徑，H表示圓柱狀接地面的高度。本發明設計的陣列如圖3所示，具體的尺寸參數如表2所示：變量數值R11.04λR22.54λR34.16λRI6.0λεr49N21表2表2中εr表示球體內所填充介質的相對介電常數。具體實施方法為：天線單元通過同軸線軸向饋電，按圖3所示位置排放于半球體內部，各陣元螺旋向均相同，保證各陣元輻射電磁波的極化方向相同，天線軸向沿著球體半徑方向指向球心，使陣元天線的最大輻射方向指向球心，保證各單元等幅同相饋電，球體內部填充相對介電常數為εr＝49，介質損耗角正切小于0.1％的電介質材料，降低電磁波穿透皮膚時的界面反射，天線單元與接地板均為金屬導體。用電磁仿真軟件HFSS對螺旋天線單元模型進行仿真優化，天線在960MHz附近的窄頻帶內有良好的駐波比，并且在960MHz附近阻抗實部在50～60歐姆之間，虛部在-4～+4歐姆之間波動，可與50歐姆同軸線相連進行良好饋電，圖2為天線單元的仿真結果圖，回波損耗能達到15dB以下，滿足設計需求。對聚焦陣列天線進行仿真優化，此時，陣列天線在近場輻射能量幅值分布如圖4所示，陣列天線近場能量在球心處實現了聚焦，形成棗核形的焦斑。當前第1頁1 2 3