微波治療腦瘤用寬帶功分器的設計*

劉　一,姜　濤,白紅民

(1.廣東技術師范學院電信學院,廣州 510665;2.華南理工大學生物醫學工程系,廣州 510006;3.廣州軍區總醫院神經外科,廣州 510010)

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微波治療腦瘤用寬帶功分器的設計*

劉一1,2*,姜濤2,白紅民3

(1.廣東技術師范學院電信學院,廣州 510665;2.華南理工大學生物醫學工程系,廣州 510006;3.廣州軍區總醫院神經外科,廣州 510010)

摘要:為了能夠在顱內微波治療腦瘤中,采用分區加熱的方式,設計了一種寬帶一分二Wilkinson型功分器。這種功分器的工作帶寬為0.8 GHz～2.6 GHz,采用三節階梯阻抗方式。通過對等效電路的阻抗分析,給出設計參數,并基于ADS 軟件對其結構進行仿真與優化,根據設計制作了一個功分器并進行了測試。仿真結果和實物測試結果比較接近,該功分器在整個頻帶范圍內具有良好的性能指標,傳輸損耗低至0.9 dB,隔離度高于20 dB。該功分器實現了寬帶化以及小型化,完全滿足顱內微波熱療系統的應用。

關鍵詞:Wilkinson功分器;寬帶;微波熱療;腫瘤

微波熱凝微創技術治療顱內腫瘤的一種新方法,是一種安全可靠損傷小,效果好,費用低,簡便易行,安全可靠的治療顱內腫瘤的新技術[1]。采用CT定位、骨標導航、電腦調控的微波定向技術進行顱內腫瘤間質內熱凝治療。在局麻清醒狀態下行顱內腫瘤間質內植入微波特制電極全方位、一次性、原位熱凝滅活顱內中晚期腫瘤。依靠聚焦于瘤體的微波能量產生的熱能來引起生物效應,從而有效的殺滅腫瘤細胞。微波在生物組織中的穿透能力是有限的,如腫瘤體過大或腫瘤位置過深,單微波電極無法實現對整個腫瘤組織的有效加熱。這時需要采用對腫瘤分區進行加熱,即多輻射器陣列的加熱方法[2],這種方法要求微波能量根據治療需要分配到各輻射器。這樣每個單輻射器的發射功率就可以減少,從而減少微波對健康組織的熱損傷。這就需要把微波熱療儀的微波能量分成兩路或多路輸出,功率分配器可以很好的滿足這一需要。微波熱療儀一般采用915 MHz和2.45 GHz兩種頻率[3],為了能夠適用于這2個波長,需要設計一種工作頻帶能夠包含上述2個波長的寬帶功分器。

1　工作原理

1.1Wilkinson功分器

功分器是三端口網絡,普通的無耗互易三端口網絡無法達到完全匹配,且輸出端口間也無隔離[4]。Wilkinson 功分器是在簡單功分器的基礎上加入了隔離電阻R,從而能夠實現各端口的匹配,同時也可實現輸出端口間的高度隔離[5]。

圖1是一個二等分微帶Wilkinson 功分器的示意圖。在圖1中,輸入與輸出微帶線的特征阻抗都是系統阻抗Z0,輸入與輸出口間的傳輸線長均為λ/4,特征阻抗為2Z0,從而實現阻抗變換。輸出端口2和3之間的隔離通過隔離電阻R實現。由電路的對稱性可知,當信號從1端口輸入時,在2和3端口將得到大小相等、相位相同的輸出信號。由于電阻R兩端電位相等,所以電阻R上不會有電流流過,R不起作用。而當2端口有信號輸入時,它就分兩路到達3端口。適當選擇電阻以及焊接位置可以使兩路信號相互抵消,從而使2、3端口得到隔離[6],在二等分功分器中R=2Z0。

圖1　單節Wilkinson功分器

1.2寬帶功分器

圖2　多節Wilkinson功分器

由于單節Wilkinson功分器的工作帶寬較窄,為了能拓寬工作的帶寬,可以采用多節的寬頻帶功分器[7-10]。圖2所示的采用了多節阻抗變換器的寬帶功分器中,每節微帶線的特征阻抗分別為Z1、Z2、Z3、…、Zn,每一節的隔離電阻為R1、R2、R3、…、Rn。由于各階梯阻抗均會產生的反射波,如果這些反射波彼此抵消,便可以使匹配的頻帶寬度得以擴展。

由圖2可知,各連接點反射的總和就是從傳輸線向負載方向看去的反射系數。經過一個理想的多節變阻器變阻后,反射系數應等于0。將二端口的傳輸特性用插入衰減表示:

(1)

ε為過量衰減,它表示二端口網絡和理想狀態(L=1)的差別。所以對理想多節阻抗變換器,不光反射系數為零,過量衰減也為零。但在實踐中,器件都是在一定寬度的頻帶內工作的,在所有的頻率處過量衰減不可能都為零,只需能在工作的頻帶范圍內均小于某一設定值即可。經過推導,多節阻抗變換器的過量衰減ε為:

(2)

式中R為變阻比,n為變阻器的節數,θ為傳輸線段的電長度,

(3)

分析式(3)可知,在中心頻率時ω=ω0,θ=90°,cosθ=0此時ε=0為理想的多節變阻器;當 θ=π時,ε=(R-1)2/4R為最大的過量衰減,此時各連接點的反射波不能相互抵消,而是疊加起來,變阻器的駐波惡化,功分器無法正常工作。由此可以確定功分器的截止工作頻率。

1.3隔離阻抗的計算

通常采用奇偶模分析法推導計算功分器的隔離電阻[11-12]。在偶模分析時,因為端口2 和端口3的信號具有相同的幅度和相位,所以沒有電流流經隔離電阻R1、和,得到如圖3(a)的偶模等效電路,經分析可得式(4)

圖3

(4)

在奇模分析時,端口2和端口3的信號具有相同的幅度,相位差為180°,得到如圖(b)所示奇模等效電路,經分析可得式(5)

(5)

從式中可以看到,若已知Z1、Z2、Z3和l1、l2、l3,代入式中即可求出隔離電阻R1、R2、R3[13]。

圖5

2　仿真與測試

2.1參數計算

設f1、f2分別為功分器的上、下限頻率,f0為中心頻率,wq為相對帶寬,r 為阻抗變換比。因為微波熱療的2個工作頻率為915MHz和2.45GHz,為了減少對信號源的精度要求,設定f1=0.8GHz,f2=2.6GHz,得f0=(f1+f2)/2=1.7GHz,wq=(f2-f1)/f0≈1。由于f2/f1約為3,故取節數n=3。根據λ/4阻抗變換器以及微帶電路理論,由r=2,wq=1,駐波比VSWR<1.2可確定每節微帶線歸一化特征阻抗分別為z1=1.74,z2=1.41,z3=1.15,相應的阻抗值為Z1=87Ω,Z2=71Ω,Z3=57.5Ω。由此算出每節微帶線寬度分別約為0.38mm、0.59mm和0.87mm。

利用奇偶模分析法,得到隔離電阻歸一化值分別為r1=2.14,r2=4.23,r3=8,對應的電阻分別為R1=100Ω,R2=200Ω,R3=400Ω。本設計采用厚度為d=0.5mm、相對介電常數為4.4的印刷板介質作為微帶阻抗的基板,每節微帶線長度l=λ/4=24.50mm。這樣整個微帶功分器的尺寸都得到了,如圖4和表1所示。

圖4　ADS仿真模型

表1仿真模型尺寸

第1節R1第1節線寬第2節R2第2節線寬第3節R3第3節線寬每節長度100Ω0．38mm200Ω0．59mm400Ω0．87mm24．50mm

2.2模型仿真

在ADS軟件上進行功分器模型的仿真與計算,初始的仿真結果與設計要求有差距,通過ADS軟件的優化功能,對阻抗參數Z1、Z2、Z3、R1、R2、R3進行優化,得到的仿真S參數如圖5所示。如圖5(a)所示,在頻率為915MHz處,S12為3.01dB,在頻率為2.45GHz處S12為3.02dB。如圖5(b)所示,在頻率為915MHz處S13為3.01dB,在頻率為2.45GHz處S13為3.02dB,這說明功分器基本上達到了二等分的作用。如圖5(c)所示,在頻率為0.915GHz處,S23為-30dB,在頻率為2.45GHz處,S23為-28dB,這說明此功分器2個輸出端有很高的隔離度。

如圖5(d)所示,在頻率為915MHz處,S11為-35dB,在頻率為2.45GHz處S11為-33dB。這說明仿真結果滿足我們的設計需要,這一功分器的帶寬從0.8GHz到2.6GHz,回波損耗小。

2.3制作與測試

根據仿真模型加工出的0.8GHz～2.6GHz寬帶功分器樣品如圖6所示。其中隔離電阻采用0.5W貼片金屬膜電阻,外殼腔體采用鋁材料。利用Agilent公司型號為E5061A的網絡分析儀對樣品進行測試,測試結果為:在頻率為2.45GHz處S11<-20dB,端口1的駐波比VSWR<1.3,S23<-24dB;在頻率為915MHz處S11<-20dB,端口1的駐波比VSWR<1.25,S23<-24dB,實際設計結果完全滿足設計要求。

圖6　功分器實物圖

3　結論

采用多節λ/4阻抗變換器的方式設計了一個工作頻帶為0.8 GHz～2.6 GHz寬帶功分器,并利用ADS軟件進行了仿真并制作了功分器實物,最終測試結果與仿真結果比較接近。理論仿真和對實物的指標測試可以看出,所制作出的寬帶功分器在915 MHz和2.45 GHz處都具有良好的性能指標。在工作頻帶范圍內,其傳輸損耗<0.9 dB,隔離度>20 dB,完全滿足微波熱療系統的需要。此器件尺寸為4.2 cm×3.0 cm,實現了器件的寬帶化以及小型化,使用方便。

參考文獻:

[1]朱紅蓮,王平,高紅.顱內CT定向微波治療腦瘤臨床應用技術研究[J].中國民康醫學,2007(7):275-277.

[2]Morega M,Mogos L,Neagu M,et al.Optimal Design for Microwave Hyperthermia Applicator[C]//Proceedings of the 10th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment,Brasov Romania,2006:219-224.

[3]孫兵,江國泰,陸曉峰.微波熱療系統的寬帶功率分配器的研制[J].生物醫學工程學雜志,2010,27(5):974-977.

[4]董金明,林萍實,鄧暉.微波技術[M].北京:機械工業出版社,2010:166-168.

[5]Pozar D M.微波工程[M].北京:電子工業出版社,2006:187-188.

[6]喻夢霞,李桂萍.微波固態電路[M].成都:電子科技大學出版社,2008:144-147.

[7]清華大學微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1976:85-86.

[8]朱大勇,傅世強.一種改進型Wilkinson功分器的設計[J].現代電子技術,2013,36(16):131-136.

[9]蘇暢,李迎松,劉乘源,等.一種寬帶功分器設計與分析[J].系統仿真技術,2010,6(4):264-267.

[10]楊崢崢.微帶功分器的設計[J].艦船電子對抗,2012,35(4):69-72.

[11]Heer A,Ingo W.Three-Port 3-dB Power Divider Terminated by Different Impedances and Its Application to MMICS[J].IEEE Trans Act Ions on Microwave Theory and Techniques,1999,47(6):786-794.

[12]Mitchaic C,Sumongkol P,Monai K,et al.Tri-Band Wilkinson Power Divider Using a Three-Section Transmission Line Transformer[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2006,16(8):452-454.

[13]冷小艷,楊瑾屏,吳文.新型雙頻Wilkinson微帶功分器研究[J].南京理工大學學報(自然科學版),2008,32(3):363-366.

劉一(1980-),男,漢族,山東煙臺人,廣東技術師范學院,講師,主要研究方向為生物醫學工程,798451810@qq.com。

DesignofBroadbandPowerDividerSuitableforMicrowaveHyperthermiaofBrainTumor*

LIUYi1,2*,JIANGTao2,BAIHongmin3

(1.Department of Electronic Information Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou 510665;2.Department of Biomedical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510006;3.Department of Neurosurgery General Hospital of Guangzhou Military Region,Guangzhou 510010)

Abstract:In order to use zone heating method in microwave hyperthermia of brain tumor,a kind of broadband one-to-two equal-split Wilkinson power divider was designed and simulated.The power divider which worked within 0.8 GHz～2.5 GHz was composed of three sections.By impedance analysis on equivalent scheme,the design parameters of power divider were provided.After simulated and optimized by ADS software,the divider was produced and tested.The results of the divider testing approximately coincide with the simulation.The broadband divider bears a good performance over the whole frequency band with transmission loss less than 0.9 dB and isolation more than 20 dB.Wide band and miniaturization are realized in the design.This power divider suits microwave hyperthermia of brain.

Key words:ilkinson power divider;broadband;microwave hyperthermia;tumor

doi:EEACC:1350H10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.013

中圖分類號:R454.1

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0859-04

收稿日期:2013-10-15修改日期:2013-12-03

項目來源:國家自然科學基金項目(81201014)