摘 要

本文首先设计了一种液态金属频率可重构、自体散热天线的结构，该中心频率为天线可用作微波消融探针，利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构的频率可重构予以分析。仿真结果表明，随着在天线长度逐步地从变化到,中心频率将从渐变到，所设计的液态金属的探针结构频率可以实现重构。

为了进一步研究液态金属用于射频消融探针的冷却效果，本文设计了一种液态金属内冷式的探针结构，利用了多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics,对采用液态金属的冷却方式和水冷方式的探针的温度场和组织损伤率分布进行了对比分析。结果表明，在加载电压、加热后，采用液态金属冷却的探针最高温度比采用水冷方式要低，液态金属代替水作为冷却介质可以更好的防止生物组织的过早碳化，消融表现更加优秀。

本研究内容的特色：将液态金属材料用于天线设计中，不仅使天线变得柔性灵活，实现频率重构，同时在液态金属代替水直接作为一种冷却介质，不但天线结构简化，冷却效果也更为优秀，具有广阔的应用前景。

关键词：液态金属；可重构天线；射频消融；自体冷却；温度场

Abstract

In this paper, a structure of liquid metal reconfigurable self-cooling antenna is designed. The feasibility of frequency reconstruction of the antenna which is used as the microwave ablation probe with center frequency of 434MHz is verified by electromagnetic simulation software HFSS. The simulation results show when the length of the antenna is changed gradually from 170mm to 180mm, the center frequency will be changed from 420MHz to 400MHz, the design of the liquid metal frequency reconfigurable structure is all right.

In order to study the cooling effect of liquid metal cooling for the Radio Frequency Ablation of the probe, this paper designed a liquid metal internal cooling probe structure. Simulating by the COMSOL Multiphysics which is the software for multi-physics coupling, the temperature field and the distribution of the tissue damage rate when using the liquid metal cooling or the water cooling were compared and analyzed. After the heating voltage of 20V and the heating time is ten minutes, the results show that the maximum temperature of the liquid metal cooling method is 4.2 degrees lower than that of the water-cooled method, and liquid metal instead of water as cooling medium can prevent premature carbonation and the area of biological tissue ablation is increasing.

The characteristics of this paper: using of liquid metal materials when design the antenna, we can not only make the antenna flexibility, but also achieve the frequency of reconstruction; at the same time, using the liquid metal instead of water as a cooling medium directly, the structure of the is simplified and cooling effect become more excellent.

Keywords: Liquid metal; reconfigurable antenna; radiofrequency ablation; self-cooling; temperature field

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1. 研究的背景和意义 1

1.1.1. 无线电和天线的发展史 1

1.1.2. 肿瘤热疗原理 2

1.2. 研究意义 3

1.3. 国内外的发展趋势 4

1.3.1. 液态金属散热技术的研究现状 4

1.3.2. 天线散热技术的研究现状 6

1.4. 论文的主要工作和内容安排 7

1.4.1. 主要研究工作 7

1.4.2. 本文的主要结构 8

第2章 Ansoft HFSS对于单极子可重构天线的仿真分析 9

2.1. 天线的基本原理和基本参数 10

2.2. 半波偶极子和单极子天线 11

2.3. 可重构天线 14

2.4. 有限元分析的基本原理和求解步骤 16

2.5. Ansoft HFSS简介 16

2.6. 重构天线的仿真分析 18

2.6.1. 几何尺寸的计算 18

2.6.2. 基本设置 19

2.6.3. 建立模型 20

2.6.4. 求解设置和网格划分 20

2.6.5. 后处理 21

2.6.6. 结果分析 22

2.7. 本章小结 24

第3章 自体冷却的射频探针温度场仿真分析 25

3.1. COMSOL Multiphysics简介 25

3.2. 理论方程 26

3.2.1. Pennes生物热方程 26

3.2.2. 组织损伤方程 26

3.2.3. 电场相关方程 27

3.2.4. 流动方程 27

3.2.5. 流体传热方程 28

3.2.6. 固体传热方程 29

3.3. 射频探针结构 29

3.4. 3D建模 31

3.5. 温度场模拟 34

3.5.1. 假设条件 34

3.5.2. 2D分析过程 34

3.5.3. 3D分析过程 38

3.6. 本章小结 40

第4章 结论和展望 42

4.1. 总结 42

4.2. 展望 42

参考文献 44

致谢 48

绪论

研究的背景和意义

无线电和天线的发展史

当我们在畅享4G时代，用智能手机和大洋彼岸的亲人视频通讯时；当我们在休息时打开iPad、laptop 连上WiFi，在网上商城里寻找夏季最时髦的搭配时；当我们晚上回到家里打开电视机，欣赏着跌宕起伏的谍战片时；当我们在周末开着大奔驶向郊区，从收音机里听到新闻中报道称嫦娥五号将在年底发射的激动人心的消息……我们似乎丝毫不会意识到电磁波这无比神奇的存在。

1864年，James Clerk Maxwell提出电磁场相互耦合的概念，不久后Heinrich Hertz就通过实验证明了世界上电磁波真实存在，此后电磁波就在无线通讯得到了快速的发展。上个世纪20年代和30年代，人类相继发明了广播和电视；发展到了上个世纪末期，全球定位系统（GPS）^[1]和手机也相继问世，而当时在国内手持一台“大哥大”却还是一种身份的象征，国内无线通讯技术远远落后于发达国家。

2000年以来，国内紧追世界无线电通讯发展的发展步伐。2003年，通过国人全力以赴的努力，ITU公布了中国拥有自主知识产权的TD-SCDMA标准^[2]。2008年8月，我国实现3G网络覆盖^[3]。2013年，仅仅用了5年，4G网络席卷全国^[4]。从最新消息可以知道，我们距离5G网络相信也不会太遥远了^[5]。韩国SK Telecom称将确保10月前提供切实的5G系统和服务，为2018年在平昌举行的冬季奥运会做好准备；德国T-Mobile宣布计划在2019年开始推出真正的全国性5G服务，到2020年全面推出；中国电信也表示将在2020年实现5G商用。