Effect of Water Bolus Size on the Radiation of a Metamaterial Antenna

Abstract

Cílem této bakalářské práce bylo analyzovat vliv rozměrů vodního bolu na vyzařovací charakteristiku metamateriálové (MTM) antény pracující na frekvenci 70MHz pro účely mikrovlnné hypertermie. Práce se zaměřila na hodnocení parametrů efektivní velikosti pole (EFS), efektivní hloubky průniku (EPD) a rozložení specifické absorpce energie (SAR). V prostředí COMSOL Multiphysics byly vytvořeny dva modely MTM antén velká a malá. Pro tyto antény byly provedeny simulace s měnícími se rozměry vodního bolu ve směrech x, y a z. Na základě výsledků byly určeny optimální rozměry bolu a spočítány odpovídající hmotnosti. Následně byly parametry malé MTM antény porovnány s vlnovodnou anténou. Výsledky ukázaly, že největší vliv na distribuci pole má tloušťka bolu v ose z, zatímco změny ve směrech x a y měly omezený dopad, pokud bolus pokrýval aktivní plochu antény. Vlnovodná anténa dosáhla nejvyšších hodnot EFS a EPD, ale za cenu vysoké hmotnosti (13,34kg) a tloušťky (14cm). MTM antény umožnily efektivní přenos energie s výrazně nižší hmotností (3,14kg a 4,25kg). Experimentální validace potvrdila shodu mezi simulacemi a měřením. Výsledky simulací i experimentu naznačují, že MTM antény mohou představovat prostorově úsporné a výkonnostně efektivní řešení v oblasti mikrovlnné hypertermie.The aim of this bachelors thesis was to analyze the influence of water bolus dimensions on the radiation characteristics of a metamaterial (MTM) antenna operating at a frequency of 70MHz for microwave hyperthermia applications. The study focused on evaluating the parameters of Effective Field Size (EFS), Effective Penetration Depth (EPD), and the distribution of Specific Absorption Rate (SAR). Two MTM antenna models a large and a small version were created in the COMSOL Multiphysics environment. For each antenna, simulations were conducted with varying dimensions of the water bolus in the x, y, and z directions. Based on the results, optimal bolus dimensions were determined, and the corresponding bolus weights were calculated. Subsequently, the parameters of the small MTM antenna were compared with those of a waveguide antenna. The results showed that the greatest influence on field distribution was exerted by the bolus thickness in the z-axis, while changes in the x and y directions had a limited effect, provided the bolus adequately covered the antennas active area. The waveguide antenna achieved the highest values of EFS and EPD, but at the cost of greater bolus thickness (14cm) and weight (13.34kg). In contrast, the MTM antennas enabled effective energy transfer with significantly lower weight (3.14kg and 4.25kg). Experimental validation confirmed consistency between simulation results and measurements. The findings from both simulation and experiment indicate that MTM antennas can serve as compact and performance-efficient alternatives in the field of microwave hyperthermia