刘　一,姜　涛,白红民

(1.广东技术师范学院电信学院,广州 510665;2.华南理工大学生物医学工程系,广州 510006;3.广州军区总医院神经外科,广州 510010)



微波治疗脑瘤用宽带功分器的设计*

刘一1,2*,姜涛2,白红民3

(1.广东技术师范学院电信学院,广州 510665;2.华南理工大学生物医学工程系,广州 510006;3.广州军区总医院神经外科,广州 510010)

摘要:为了能够在颅内微波治疗脑瘤中,采用分区加热的方式,设计了一种宽带一分二Wilkinson型功分器。这种功分器的工作带宽为0.8 GHz～2.6 GHz,采用三节阶梯阻抗方式。通过对等效电路的阻抗分析,给出设计参数,并基于ADS 软件对其结构进行仿真与优化,根据设计制作了一个功分器并进行了测试。仿真结果和实物测试结果比较接近,该功分器在整个频带范围内具有良好的性能指标,传输损耗低至0.9 dB,隔离度高于20 dB。该功分器实现了宽带化以及小型化,完全满足颅内微波热疗系统的应用。

关键词:Wilkinson功分器;宽带;微波热疗;肿瘤

微波热凝微创技术治疗颅内肿瘤的一种新方法,是一种安全可靠损伤小,效果好,费用低,简便易行,安全可靠的治疗颅内肿瘤的新技术[1]。采用CT定位、骨标导航、电脑调控的微波定向技术进行颅内肿瘤间质内热凝治疗。在局麻清醒状态下行颅内肿瘤间质内植入微波特制电极全方位、一次性、原位热凝灭活颅内中晚期肿瘤。依靠聚焦于瘤体的微波能量产生的热能来引起生物效应,从而有效的杀灭肿瘤细胞。微波在生物组织中的穿透能力是有限的,如肿瘤体过大或肿瘤位置过深,单微波电极无法实现对整个肿瘤组织的有效加热。这时需要采用对肿瘤分区进行加热,即多辐射器阵列的加热方法[2],这种方法要求微波能量根据治疗需要分配到各辐射器。这样每个单辐射器的发射功率就可以减少,从而减少微波对健康组织的热损伤。这就需要把微波热疗仪的微波能量分成两路或多路输出,功率分配器可以很好的满足这一需要。微波热疗仪一般采用915 MHz和2.45 GHz两种频率[3],为了能够适用于这2个波长,需要设计一种工作频带能够包含上述2个波长的宽带功分器。

1　工作原理

1.1Wilkinson功分器

功分器是三端口网络,普通的无耗互易三端口网络无法达到完全匹配,且输出端口间也无隔离[4]。Wilkinson 功分器是在简单功分器的基础上加入了隔离电阻R,从而能够实现各端口的匹配,同时也可实现输出端口间的高度隔离[5]。

图1是一个二等分微带Wilkinson 功分器的示意图。在图1中,输入与输出微带线的特征阻抗都是系统阻抗Z0,输入与输出口间的传输线长均为λ/4,特征阻抗为2Z0,从而实现阻抗变换。输出端口2和3之间的隔离通过隔离电阻R实现。由电路的对称性可知,当信号从1端口输入时,在2和3端口将得到大小相等、相位相同的输出信号。由于电阻R两端电位相等,所以电阻R上不会有电流流过,R不起作用。而当2端口有信号输入时,它就分两路到达3端口。适当选择电阻以及焊接位置可以使两路信号相互抵消,从而使2、3端口得到隔离[6],在二等分功分器中R=2Z0。

图1　单节Wilkinson功分器

1.2宽带功分器

图2　多节Wilkinson功分器

由于单节Wilkinson功分器的工作带宽较窄,为了能拓宽工作的带宽,可以采用多节的宽频带功分器[7-10]。图2所示的采用了多节阻抗变换器的宽带功分器中,每节微带线的特征阻抗分别为Z1、Z2、Z3、…、Zn,每一节的隔离电阻为R1、R2、R3、…、Rn。由于各阶梯阻抗均会产生的反射波,如果这些反射波彼此抵消,便可以使匹配的频带宽度得以扩展。

由图2可知,各连接点反射的总和就是从传输线向负载方向看去的反射系数。经过一个理想的多节变阻器变阻后,反射系数应等于0。将二端口的传输特性用插入衰减表示:

(1)

ε为过量衰减,它表示二端口网络和理想状态(L=1)的差别。所以对理想多节阻抗变换器,不光反射系数为零,过量衰减也为零。但在实践中,器件都是在一定宽度的频带内工作的,在所有的频率处过量衰减不可能都为零,只需能在工作的频带范围内均小于某一设定值即可。经过推导,多节阻抗变换器的过量衰减ε为:

(2)

式中R为变阻比,n为变阻器的节数,θ为传输线段的电长度,

(3)

分析式(3)可知,在中心频率时ω=ω0,θ=90°,cosθ=0此时ε=0为理想的多节变阻器;当 θ=π时,ε=(R-1)2/4R为最大的过量衰减,此时各连接点的反射波不能相互抵消,而是叠加起来,变阻器的驻波恶化,功分器无法正常工作。由此可以确定功分器的截止工作频率。

1.3隔离阻抗的计算

通常采用奇偶模分析法推导计算功分器的隔离电阻[11-12]。在偶模分析时,因为端口2 和端口3的信号具有相同的幅度和相位,所以没有电流流经隔离电阻R1、和,得到如图3(a)的偶模等效电路,经分析可得式(4)

图3

(4)

在奇模分析时,端口2和端口3的信号具有相同的幅度,相位差为180°,得到如图(b)所示奇模等效电路,经分析可得式(5)

(5)

从式中可以看到,若已知Z1、Z2、Z3和l1、l2、l3,代入式中即可求出隔离电阻R1、R2、R3[13]。

图5

2　仿真与测试

2.1参数计算

设f1、f2分别为功分器的上、下限频率,f0为中心频率,wq为相对带宽,r 为阻抗变换比。因为微波热疗的2个工作频率为915MHz和2.45GHz,为了减少对信号源的精度要求,设定f1=0.8GHz,f2=2.6GHz,得f0=(f1+f2)/2=1.7GHz,wq=(f2-f1)/f0≈1。由于f2/f1约为3,故取节数n=3。根据λ/4阻抗变换器以及微带电路理论,由r=2,wq=1,驻波比VSWR<1.2可确定每节微带线归一化特征阻抗分别为z1=1.74,z2=1.41,z3=1.15,相应的阻抗值为Z1=87Ω,Z2=71Ω,Z3=57.5Ω。由此算出每节微带线宽度分别约为0.38mm、0.59mm和0.87mm。

利用奇偶模分析法,得到隔离电阻归一化值分别为r1=2.14,r2=4.23,r3=8,对应的电阻分别为R1=100Ω,R2=200Ω,R3=400Ω。本设计采用厚度为d=0.5mm、相对介电常数为4.4的印刷板介质作为微带阻抗的基板,每节微带线长度l=λ/4=24.50mm。这样整个微带功分器的尺寸都得到了,如图4和表1所示。

图4　ADS仿真模型

表1仿真模型尺寸

第1节R1第1节线宽第2节R2第2节线宽第3节R3第3节线宽每节长度100Ω0．38mm200Ω0．59mm400Ω0．87mm24．50mm

2.2模型仿真

在ADS软件上进行功分器模型的仿真与计算,初始的仿真结果与设计要求有差距,通过ADS软件的优化功能,对阻抗参数Z1、Z2、Z3、R1、R2、R3进行优化,得到的仿真S参数如图5所示。如图5(a)所示,在频率为915MHz处,S12为3.01dB,在频率为2.45GHz处S12为3.02dB。如图5(b)所示,在频率为915MHz处S13为3.01dB,在频率为2.45GHz处S13为3.02dB,这说明功分器基本上达到了二等分的作用。如图5(c)所示,在频率为0.915GHz处,S23为-30dB,在频率为2.45GHz处,S23为-28dB,这说明此功分器2个输出端有很高的隔离度。

如图5(d)所示,在频率为915MHz处,S11为-35dB,在频率为2.45GHz处S11为-33dB。这说明仿真结果满足我们的设计需要,这一功分器的带宽从0.8GHz到2.6GHz,回波损耗小。

2.3制作与测试

根据仿真模型加工出的0.8GHz～2.6GHz宽带功分器样品如图6所示。其中隔离电阻采用0.5W贴片金属膜电阻,外壳腔体采用铝材料。利用Agilent公司型号为E5061A的网络分析仪对样品进行测试,测试结果为:在频率为2.45GHz处S11<-20dB,端口1的驻波比VSWR<1.3,S23<-24dB;在频率为915MHz处S11<-20dB,端口1的驻波比VSWR<1.25,S23<-24dB,实际设计结果完全满足设计要求。

图6　功分器实物图

3　结论

采用多节λ/4阻抗变换器的方式设计了一个工作频带为0.8 GHz～2.6 GHz宽带功分器,并利用ADS软件进行了仿真并制作了功分器实物,最终测试结果与仿真结果比较接近。理论仿真和对实物的指标测试可以看出,所制作出的宽带功分器在915 MHz和2.45 GHz处都具有良好的性能指标。在工作频带范围内,其传输损耗<0.9 dB,隔离度>20 dB,完全满足微波热疗系统的需要。此器件尺寸为4.2 cm×3.0 cm,实现了器件的宽带化以及小型化,使用方便。

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刘一(1980-),男,汉族,山东烟台人,广东技术师范学院,讲师,主要研究方向为生物医学工程,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

中图分类号:R454.1

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0859-04

收稿日期:2013-10-15修改日期:2013-12-03

项目来源:国家自然科学基金项目(81201014)