-
Flädhenstrahler für dielektrische Erwärmung im Hodifrequenzfeld, insbesondere
für Zwecke der Mikrowellentherapie
Im Gegensatz zur Kurzwellendiathermie, bei der
der Patient im Kondensatorfeld zwischen zwei Plattenelektroden oder im Feld einer
Spule behandelt wird irnd ein Teil des abstimmbaren Patientenkreises ist, wird bei
der Mikrowellentherapie die Energie von einer Antenne ausgestrahlt und trifft auf
die Haut auf; es besteht hier also kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem
Patienten und dem Mikrowellengenerator.
-
Durch geeignete Formgebung des Strahlers und die daraus herrührende
Richtwirkung ist es möglich, ein vorbestimmtes, örtlich begrenztes Körpergebiet
bevorzugt zu bestrahlen. Im allgemeinen benutzt man hierzu Hohlrohrstrahler oder
Rotationsparabolreflektoren, die die Strahlung reiativ stark bündeln. Bei diesen
Strahlern haben die Linien gleicher Feldstärke in Ebenen senkrecht zur Strahlrichtung
annähernd kreisförmige Gestalt. Bei bestimmten Behandlungsmethoden besteht jedoch
der Wunsch, eine größere Fläche, etwa in Form eines Rechtecks, gleichmäßig zu bestrahlen.
Hierfür ist bereits ein Zylinderparabol reflektor vorgeschlagen worden, der so angeregt
wird, daß die Offnungsebene in der Längsachse und möglichst auch quer
dazu
annähernd gleichmäßig mit Energie belegt ist.
-
Während bei kurzen Reflektorlängen die Anregung mit einem einzigen
A/2-Dipol genügt, der parallel zur Längsachse des Zylinderreflelitors aufgestellt
wird, müssen bei längeren Reflektoren mehrere mit gleicher Phase und gleicher Amplitude
erregte Dipole übereinandergesetzt werden, um eine gleichmäßige Ausleuchtung in
der Längsachse zu erreichen. Die Achse des Dipols oder der Dipolgruppe braucht keineswegs
mit der Brennlinie des Spiegels identisch zu sein, sondern wird wegen des kleinen
Verhäftnisses eweitef von Wellenlänge ntgef von dieser abweichen.
-
Soweit ist der Aufbau der Elächenstrahler aus der drahtlosen Nachrichtentechnik
von Richtantennen her bekannt. Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um
eine derartige in einer Standlinie angeordnete und in Elementen mit gleicher Phase
und gleicher Amplitude gespeiste Dipolgruppe für Zwecke der Mikrowellentherapie
zu verwirklichen. Es hat sich aber gezeigt, daß im Nahfeld, d. h. in den Bereichen,
wo die vom Strahler ausgestrahlte Energie verwertet wird, die Linien gleicher Feldstärke
in Ebenen senkrecht zur Strahlrichtung mehr quadratische, aber nicht ausgesprochen
rechteckige Form aufweisen. Dies hat seine Ursache darin, daß die bekannten Richtstrahler
der Nachrichtentechnik entwickelt worden sind, um im Fernfeld bestimmte Richtwirkungen
zu erzeugen, während an den Therapiestrahler die eingangs betrachteten Anforderungen
an die Energieverteilung im Nah feld, also sehr dicht vor der Antenne, gestellt
werden. Der Begriff des Nahfeldes wird hier nicht im üblichen physikalischen, sondern
im geometrischen, optischen Sinn verstanden; die geringste Entfernung betrage etwa
I i. Im Nahfeld besteht zweifellos nicht mehr der gleiche Zusammenhang zwischen
der Standlinie der Dipolgruppe und der Bündelung, aus dem mit Hilfe bekannter Formeln
aus der Amplituden- und Phasenbelegung der Elemente die Strahlungscharakteristik
berechnet werden kann. Die Rechnung setzt einen unendlich fernen Aufpunkt voraus,
was hier nicht zutrifft. Die von den einzelnen mit gleicher Phase erregten Dipolen
ausgehende Strahlung trifft an dem sehr nahen Aufpunkt wegen der unterschiedlichen
Laufzeit von der Mitte oder vom Rande der Strahlergruppe zu diesem Punkt dort mit
stark verschiedener Phase ein.
-
Daraus folgt, daß das Strahlungsdiagramm in unmittelbarer Nähe des
Strahlers abhängig ist von der Entfernung zum Aufpunkt.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Flächenstrahler mit
verbesserter, im Nahfeld anannähernd rechteckiger Energieverteilung zu schaffen.
-
Sie geht dabei von der bekannten Tatsache aus, daß die Bündelung bei
einer Dipolgruppe um so größer ist, je größer ihre Standlinie ist. Der Flächenstrahler
besteht daher ebenfalls aus mehreren in einer Linie angeordneten Dipolen, hinter
denen ein Reflektor zur Bündelung in der Ebene senkrecht zu ihrer Standlinie (Strahlerachse)
angeordnet ist, und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlergruppe
nach Art einer Collinear-Antenne mit nicht strahlenden Phasenumweggliedern zwischen
den strahlenden Elementen ausgebildet ist und daß die Länge der Elemente von der
Reflektormitte zu dessen Stirnseiten hin so verschieden bemessen ist, daß die von
ihnen herrührende Strahlung an einem im Nahfeld befindlichen Aufpunkt annähernd
phasengleich eintrifft.
-
In einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung besteht die Strahlergruppe
aus einem in den Stirnseiten des Reflektors gehalterten Leiter, der in Abständen
zu gegen den Reflektor zerichteten i/4-Umwegleitungen abgebogen ist. Auch in der
Nachrichtentechnik hat man bei Collinear-Antennen schon die Längen der zwischen
den Phasenumkehrgliedern liegenden Antennen abschnitte größer oder kleiner als eine
halbe Wellenlänge bemessen, um zwischen den Abschnitten eine fortschreitende Phasenänderung
zu erhalten, jedoch diente diese Maßnahme hier dem Zwecke, das Maximum des Strahlungsdiagramms
in einem spitzen Winkel zur Standlinie der Antenne auszurichten.
-
Wird der erfindungsgemäße Flächenstrahler symmetrisch von einer konzentrischen
Energieleitung über ein Transformationsglied gespeist, so wird in bekannter Weise
vom Leitungsanschluß an der Rückseite des Reflektors bis zur Strahlergruppe eine
koaxiale Leitung geführt, deren Mantel durch einen i/4-langen Schlitz vom offenen
Ende her in zwei Hälften geteilt ist, von denen eine mit dem Innenleiter und der
einen Hälfte der Strahlergruppe, die andere mit der anderen Hälfte der Strahlergruppe
verbunden ist.
-
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar
in Fig. I im Längsschnitt durch die Strahlerachse und in Fig. 2 im Querschnitt.
-
Mit der stark ausgezogenen Linie I ist der Zylinderparabolreflektor
angedeutet. Mit 2 ist eine Isolierkappe bezeichnet, die das gesamte Reflektorinnere
abschließt. In den Seitenwänden 3 sind Isolierstücke 4 eingelassen, zwischen denen
der Antennenleiter 5 gehaltert ist. Der Leiter ist sehr einfach aufgebaut und besteht
aus einem entsprechend zurechtgebogenen - Gebilde aus blankem Kupferdraht von etwa
2 mm Durchmesser. Er bildet mehrere Dipole, die in einer Reihe hintereinander liegen.
Dadurch, daß in Abständen Å14-lange Umwegleitungen 8 angeordnet sind, werden die
falschphasigen Anteile der Strahlung unterdrückt. Auf diese Weise können z. B. gleich
lange Dipole gebildet werden, die alle mit gleicher Phase erregt werden, wie bohne
weiteres verständlich ist. Beim Flächenstrahler gemäß der Erfindung werden die Dipole
jedoch nicht mit gleicher Phase erregt, sondern die Phase wird nach außen hin geändert,
um eine gleich lange Laufzeit, betrachtet vom Mittelpunkt der Antenne über den ersten
Dipol bis zum letzten Dipol und zu dem Aufpunkt, d. h. bei Therapiestrahlern bis
zum Behandlungspunkt, zu erreichen, sp daß die von den einzelnen Dipolen herrührende
Strahlung am Behandlungsort mit
gleicher Phase oder wenigstens annähernd
gleicher Phase eintrifft. Dies ist beim Flächenstrahler nach der Erfindung auf einfachste
Weise dadurch erreicht, daß die Dipole nach den Stirnseiten des Reflektors hin in
ihrer Länge entsprechend abgestuft werden, so daß die kürzesten Dipole außen liegen.
Durch die A/4-Umwegleitungen wird jeweils eine gleichbleibende Phasendrehung von
go0 erreicht. Die Phasendrehung setzt aber schon früher oder später ein, je nachdem,
an welcher Stelle des vorhergehenden Dipols sie angebracht ist. Werden also die
Längen der Dipole nicht gleich, sondern verschieden gemacht, so erhalten die nach
außen liegenden Dipole eine gegenüber dem inneren Dipol unterschiedliche Phase.
Gleichzeitig wird dabei die Amplitudenbelegung nach außen etwas geringer.
-
Dies wirkt sich jedoch auf die erstrebte Bündelung nicht nachteilig
aus, da die Veränderung der Phasenbeiegung der Strahlerelemente wesentlich stärker
auf die Charakteristik eingeht als die Veränderung der Amplitudenbelegung.
-
Das Verbindungsstück von der Antenne zum Anschluß der Energieleitung
6 an der Rückseite des Reflektors I ist als Transformationsglied ausgebildet und
besteht aus einem Stück einer koaxialen Leitung 7, deren Außenleiter durch einen
W4-langen Schlitz 12 (Fig. 2) in zwei Hälften g und Io geteilt ist. Der Innenleiter
11 des Transformationsgliedes ist unmittelbar mit der einen Hälfte g des Außenleiters
verbunden und setzt sich in der einen Hälfte des Strahlers 5 fort. Die andere Hälfte
des Strahlers ist an der zweiten Hälfte 10 des Kabelmantels befestigt.
-
Die Bündelung in der Ebene senkrecht zur Strahlerlängsachse und ihr
Verhältnis zur Bündelung in der Ebene durch die Strahlerlängsachse wird eingestellt
durch die Ausbildung des rückwärtigen Reflektors und die Anordnung der Antenne ihm
gegenüber. Ein Reflektor mit sehr großem Öffnungsverhältnis, d. h. mit großer Offnungsweite
im Verhältnis zur Wellenlänge, bewirkt eine sehr starke Bündelung, während ein sehr
schmaler Reflektor oder im Grenzfall ein einfacher, linearer, abgestimmter Reflektor
eine weit geringere Bündelung ergibt. Die Anordnung der Antenne außerhalb der Brennlinie
des Paraboireflektors ergibt eine weitere Möglichkeit, die Energie in einem gewünschten
Raumabschnitt vor dem Reflektor zu konzentrieren.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist die Breite des Reflektors und der
Abstand der Strahlergruppe vor dem Reflektor so bemessen worden, daß die Bündelung
in der Ebene senkrecht zur Strahlerachse etwa drei- bis viermal geringer ist als
in der Ebene durch die Strahlerachse. In einem solchen Fall liegt die lange Seite
des annähernd rechteckförmigen Querschnitts durch die Strahlungscharakteristik senkrecht
zur Strahlrichtung nicht parallel, sondern senkrecht zur Strahlerachse.