一種生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),采用正饋激勵圓波導TM01模的方法,使得射頻加熱腔內(nèi)射頻能量分布均勻,綜合加熱效果更優(yōu)。饋電同軸內(nèi)導體長度可變,對高矮胖瘦不同生物大體,可穩(wěn)定射頻諧振腔工作頻點,提高射頻源和加熱腔的工作可靠性。射頻腔添加三個或多個分立諧振環(huán),可用以調(diào)節(jié)射頻諧振腔的諧振頻點,提高諧振腔對不同生物大體的加熱性能。
【專利說明】-種生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬射頻加熱技術(shù),具體設(shè)及一種將射頻應(yīng)用于生物大體的熱療和均勻加熱 處理的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 實用新型專利"一種生物大體加熱裝置"(201220323720. 8)提供了一種生物大體 射頻加熱裝置,如圖1所示。該裝置采用中屯、頻率為180MHz射頻加熱。其主要特點是該頻 段電磁波透射深度深,諧振加熱腔尺寸與生物大體相當。該方法中饋電結(jié)構(gòu)采用偏饋方法 激勵圓波導TE。模,如圖3(a)所示。偏饋激勵方法是將內(nèi)導體深入圓波導內(nèi),采用電禪合 的方法激勵圓波導TEii模。在圓柱諧振腔內(nèi),內(nèi)導體可等效為線振子一探針天線。內(nèi)導體 長度約等于四分之一波長或其奇數(shù)倍,如式L= A/4 = c/4f所示,C為光速。當激勵內(nèi)導 體長度L 一旦確定后,射頻加熱腔激勵頻帶寬度隨之確定。也就是說,偏饋TE。模激勵器只 能在諧振腔內(nèi)激勵起某一頻率的TE。模,其激勵帶寬過窄,小于20MHz。因此,偏饋激勵方 式圓波導TEii模存在激勵帶寬過窄的問題。
[0003] 此外,當射頻加熱諧振腔尺寸確定后,諧振腔的諧振工作頻率只與諧振腔的等效 介電常數(shù)相關(guān)。如式/ = ./?./所示。當被加熱生物大體高矮胖瘦發(fā)生變化時,諧振腔的 等效介電常數(shù)e。隨之變化,由此導致圓柱諧振腔諧振頻率f漂移。當諧振頻率點在射頻 輸出源輸出帶寬之外時,將導致加熱系統(tǒng)無法正常工作。該時需要通過調(diào)節(jié)射頻諧振腔的 饋電結(jié)構(gòu)和圓柱腔體結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)諧振頻率點,使其在射頻源輸出范圍之內(nèi)。
[0004] 因此,上述實用新型專利"一種生物大體加熱裝置"(201220323720. 8)存在工作 頻帶過窄、工作頻點隨生物大體大小發(fā)生漂移等現(xiàn)象,飄移范圍大于20MHz,超出射頻源輸 出頻率范圍,如圖4(a)所示。同時,由于工作頻率點的飄移,導致射頻工作頻點反射系數(shù)過 大,影響射頻加熱源的正常工作,最終導致加熱效果不明顯。當加熱負載大小確定后,諧振 腔的工作頻率點隨之確定。該裝置存在諧振腔諧振頻點不易調(diào)節(jié)的缺點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種生物大體射頻加熱腔饋電方法和可調(diào) 節(jié)諧振環(huán)結(jié)構(gòu),能夠改善射頻加熱圓柱腔的工作頻率漂移范圍,穩(wěn)定射頻加熱圓柱腔的工 作頻率點,提高生物大體射頻加熱腔加熱性能,并適應(yīng)不同大小的生物大體。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是;采用正饋饋電結(jié)構(gòu),正饋饋電結(jié)構(gòu) 安裝在圓柱諧振腔一端,包括L40同軸波導、饋電外導體和饋電內(nèi)導體,所述的外導體為一 圓臺,圓臺的下底面與圓柱諧振腔一端吻合連通,圓臺的上底面開有通孔,L40同軸波導的 外導體連通所述的饋電外導體;所述的饋電內(nèi)導體包括同軸圓錐漸變段和圓柱諧振腔同軸 段,L40同軸波導的內(nèi)導體穿過圓臺上底面的通孔連通同軸圓錐漸變段的錐尖一端,同軸圓 錐漸變段的錐底連接圓柱諧振腔同軸段一端且直徑相同;所述的饋電內(nèi)導體與饋電外導體 同軸;所述圓柱諧振腔的內(nèi)壁加裝有若干可調(diào)間距的諧振環(huán),通過調(diào)節(jié)諧振環(huán)之間的間距 和諧振環(huán)個數(shù)調(diào)諧圓柱諧振腔的諧振頻率,使圓柱諧振腔工作頻率帶寬與射頻源輸出頻率 帶寬相同。
[0007] 所述的同軸內(nèi)導體與生物大體通過絕緣板連接在一起,圓柱諧振腔同軸段長度隨 生物大體長度變化而變化。
[000引所述圓柱諧振腔同軸段采用可壓縮波紋管結(jié)構(gòu)。
[0009] 所述諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)是圓環(huán)片、圓環(huán)網(wǎng)或?qū)嵧?、圓環(huán);圓環(huán)片的厚度大于10倍射頻電 磁波趨膚深度,圓環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)口寬度小于十分之一射頻電磁波波長。諧振環(huán)的個數(shù)與相互之 間的距離變化,改變了加熱諧振腔的電磁場分布,改變了加熱諧振腔的諧振頻點。仿真軟件 模擬結(jié)果表明,隨著諧振環(huán)個數(shù)的改變和諧振環(huán)間距的改變,圓柱諧振腔的諧振頻率范圍 得到了展寬,有利于圓柱諧振腔加熱不同的生物大體。
[0010] 所述同軸圓錐漸變段的錐頂直徑為16. 82mm,錐底直徑為260mm,高500mm ;所述 圓柱諧振腔同軸段直徑為260mm,長度變化范圍是0?300mm ;饋電外導體的錐頂直徑為 400mm,錐底直徑為1050mm,高500mm ;諧振環(huán)寬度為150mm,相鄰諧振環(huán)間距可調(diào)范圍是 0 ?150mm〇
[0011] 本發(fā)明的有益效果是:采用同軸內(nèi)導體漸變激勵圓波導TMw模的正饋饋電結(jié)構(gòu), 在射頻加熱腔內(nèi)激勵TM〇i模。在射頻諧振腔內(nèi)有TM。。和TM。。等諧振工作模式,射頻加熱 諧振腔內(nèi)場分布相比激勵TEi。和TE等模式更為均勻,生物大體加熱效果更好。采用圓柱 諧振腔同軸段內(nèi)導體長度隨生物大體長度變化而變化,主要是為穩(wěn)定射頻加熱腔的工作頻 率范圍。射頻圓柱諧振腔內(nèi)添加可調(diào)節(jié)間距的諧振環(huán),主要是為調(diào)節(jié)諧振腔諧振頻點,展寬 諧振范圍,穩(wěn)定諧振腔工作頻率點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[001引圖1是偏饋激勵TEi。模射頻加熱諧振腔效果圖;
[0013] 圖2是正饋激勵TMwi模射頻加熱諧振腔效果圖;
[0014] 圖3 (a)是偏饋激勵射頻加熱諧振腔結(jié)構(gòu)圖;化)是正饋激勵射頻加熱諧振腔結(jié)構(gòu) 圖;
[00巧]圖4(a)是偏饋激勵TE。模射頻加熱諧振腔工作饋電端口 S參數(shù)示意圖;化)是正 饋激勵TMw模射頻加熱諧振腔工作饋電端口 S參數(shù)示意圖;
[0016] 圖中,1-射頻諧振腔,2-人體,3-射頻場分布,4-同軸圓錐漸變段和圓柱諧振腔同 軸段內(nèi)導體;5-180MHZ射頻傳輸線L40波導,6-915MHZ微波波導傳輸線,7-915MHZ微波同 軸傳輸線L40波導,8-間距可調(diào)諧振環(huán)。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明,本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括;1,采用正饋且同軸內(nèi)導體結(jié)構(gòu)隨生物大體長度變化而變 化的一種饋電結(jié)構(gòu);2,射頻腔內(nèi)加=個或多個可調(diào)間距諧振環(huán)。
[0019] 所述的正饋是同軸漸變式激勵圓波導TM"1模的結(jié)構(gòu)。正饋饋電結(jié)構(gòu)主要包括L40 同軸內(nèi)導體、同軸圓錐漸變段和圓柱諧振腔同軸段=部分。采用該正饋結(jié)構(gòu),波導內(nèi)外導體 同時變化,不存在激勵器激勵帶寬過窄的問題。射頻源輸出電磁波頻率只要滿足諧振腔諧 振工作條件,正饋TM"i模激勵器均能在諧振腔內(nèi)激勵起諧振模式。采用同軸漸變結(jié)構(gòu)在諧 振腔內(nèi)激勵起TMwi和TMw2等諧振模式,其能量分布比偏饋激勵的TE 1。和TE模式更為均 勻。在正饋結(jié)構(gòu)中,圓柱諧振腔同軸段內(nèi)導體結(jié)構(gòu)長度隨生物大體長度變化而變化,可W穩(wěn) 定圓柱諧振腔諧振工作頻率。其原理是;生物大體與同軸內(nèi)導體通過絕緣板連接在一起,使 圓柱諧振腔等效成同軸圓柱諧振腔,而同軸圓柱諧振腔的諧振帶寬相對較寬,客觀上起到 穩(wěn)定諧振工作頻率的作用。
[0020] 圓柱諧振腔內(nèi)可調(diào)間距諧振環(huán)能夠改變諧振腔的物理結(jié)構(gòu),改變諧振腔內(nèi)電磁場 分布,從而起到調(diào)節(jié)諧振腔諧振頻率的作用。我們知道,諧振腔諧振頻率/ =/e /^/^,加熱 負載大小變化引起等效介電常數(shù)e。隨之變化,為使得諧振腔諧振工作頻頻率f不變,則合 理辦法是改變諧振本征頻率f。。而/;)=('^l + 2.9(a//?f /(3.41a),a和h分別為圓柱諧振 腔的半徑和高度。要改變本征頻率f。,應(yīng)改變a和h。諧振環(huán)的個數(shù)和可調(diào)間距變化起到 了改變a和h的作用。因此,射頻腔內(nèi)加=個或多個可調(diào)間距諧振環(huán)可W起到調(diào)諧諧振頻 率并穩(wěn)定諧振腔工作頻率。
[0021] 本發(fā)明包括W下內(nèi)容:
[0022] (1)射頻加熱圓柱諧振腔饋電結(jié)構(gòu)采用正饋方式,L40波導傳輸線與射頻加熱諧 振腔連接采用均勻漸變結(jié)構(gòu),激勵圓波導TMw模,在諧振腔中激勵起TM。。和TM。12模式。與 偏饋激勵TEiii和TE112模式相比,正饋激勵場分布相對較均勻,加熱效果良好。正饋激勵TMw 模激勵器不存在工作帶寬過窄等問題。(2)射頻加熱腔中的生物大體負載高矮不同,正饋饋 電結(jié)構(gòu)圓柱諧振腔同軸內(nèi)導體長度隨加熱人體高矮而變化。在該方式下,射頻諧振腔諧振 頻率漂移小于lOMHz,與射頻源頻率輸出帶寬范圍一致。(3)射頻加熱諧振腔采用加可調(diào)間 距諧振環(huán)的方式,其主要作用是通過調(diào)節(jié)諧振環(huán)之間的間距和諧振環(huán)個數(shù)調(diào)諧射頻加熱腔 的諧振頻率,使加熱腔工作頻率帶寬與射頻源輸出頻率帶寬相同,射頻源工作在正常狀態(tài)。
[0023] 偏饋激勵TEii模射頻加熱諧振腔工作在TE 111和TE 112諧振模式下,射頻場強分布 存在局部集中等現(xiàn)象,如圖1所示。其饋電結(jié)構(gòu)是L40同軸內(nèi)導體激勵探針,在輸入功率較 高時,內(nèi)導體頂端存在擊穿打火現(xiàn)象。偏饋激勵射頻加熱諧振腔在負載大小變化時,L40激 勵端口反射系數(shù)S。如圖4(a)所示,諧振反射頻率點從172MHz變化到205MHz,該超出了射 頻加熱源的頻率輸出范圍(170MHZ-190MHZ);同時,S。從0. 05變化到0. 4,也超出了射頻源 所允許的正常工作范圍(0<Sii<0. 2)。因此,現(xiàn)有偏饋激勵TE。模射頻加熱諧振腔存在工作 頻率范圍窄,不能適應(yīng)生物大體負載高矮胖瘦變化等缺點。
[0024] 本發(fā)明采用正饋激勵TMwi模射頻加熱圓柱諧振腔,主要是將諧振腔工作模式由 TEi。和TE變成TM。。和TM。。模式,使得諧振腔內(nèi)場分布更為均勻,如圖2所示。理論分 析表明,在相同饋入功率下,圓波導TM"i模比圓波導TE U模場分布更為均勻,TM"i模的最高 場強是TE。模最高場強的S分之二。因此,采用正饋激勵TMw模饋電結(jié)構(gòu)比采用偏饋激勵 TE。模在提高加熱效果方面更有效,如圖1、圖2所示。
[0025] 為穩(wěn)定射頻加熱圓柱諧振腔的工作頻率點,饋電結(jié)構(gòu)采用L40內(nèi)導體同軸漸變傳 輸線的方式,同時在圓柱諧振腔內(nèi)同軸段(圖3-4)同軸內(nèi)導體長度可變。生物大體長度變 化時,內(nèi)導體采用自動調(diào)節(jié)的方式,適應(yīng)生物大體長度的變化。諧振腔同軸段內(nèi)導體自動調(diào) 節(jié)結(jié)構(gòu),采用可壓縮波紋管結(jié)構(gòu)。波紋管紋深約為10mm,截距約為30mm。在該饋電結(jié)構(gòu)形 式下,L40激勵端口反射系數(shù)S。如圖4(b)所示。當加熱生物大體大小變化時,諧振腔諧振 頻率點從175MHz變化到182MHz,遠小于射頻加熱源的頻率輸出范圍(170MHZ-190MHZ);饋 電端口反射系數(shù)S。從0. 05變化到0. 15,適合射頻源所允許的正常工作范圍(0<S 11<0. 2)。
[0026] 為調(diào)節(jié)射頻加熱圓柱諧振腔的工作頻率點,本發(fā)明采用加諧振環(huán)的方式,調(diào)節(jié)射 頻加熱諧振腔的工作頻點。諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)可W是圓環(huán)片、圓環(huán)網(wǎng)、實屯、圓環(huán)等結(jié)構(gòu)。圓環(huán)片 的厚度大于10倍射頻電磁波趨膚深度。圓環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)口寬度小于十分之一射頻電磁波波長。 諧振環(huán)的個數(shù)與相互之間的距離變化,改變了加熱諧振腔的電磁場分布,改變了加熱諧振 腔的諧振頻點。仿真軟件模擬結(jié)果表明,隨著諧振環(huán)個數(shù)的改變和諧振環(huán)間距的改變,圓柱 諧振腔的諧振頻率范圍得到了展寬,有利于圓柱諧振腔加熱不同的生物大體。
[0027] 如圖3(b)所示,本發(fā)明采用正饋饋電結(jié)構(gòu),正饋饋電結(jié)構(gòu)安裝在圓柱諧振腔一 端,包括L40同軸波導、饋電外導體和饋電內(nèi)導體,所述的外導體為一圓臺,圓臺的下底面 與圓柱諧振腔一端吻合連通,圓臺的上底面開有通孔,L40同軸波導的外導體連通所述的饋 電外導體;所述的饋電內(nèi)導體包括同軸圓錐漸變段和圓柱諧振腔同軸段,L40同軸波導的 內(nèi)導體穿過圓臺上底面的通孔連通同軸圓錐漸變段的錐尖一端,同軸圓錐漸變段的錐底連 接圓柱諧振腔同軸段一端且直徑相同;所述的饋電內(nèi)導體與饋電外導體同軸;所述圓柱諧 振腔的內(nèi)壁加裝有若干可調(diào)間距的諧振環(huán),通過調(diào)節(jié)諧振環(huán)之間的間距和諧振環(huán)個數(shù)調(diào)諧 圓柱諧振腔的諧振頻率,使圓柱諧振腔工作頻率帶寬與射頻源輸出頻率帶寬相同。
[002引所述的同軸內(nèi)導體與生物大體通過絕緣板連接在一起,圓柱諧振腔同軸段長度隨 生物大體長度變化而變化。
[0029] 所述圓柱諧振腔同軸段采用可壓縮波紋管結(jié)構(gòu)。
[0030] 所述諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)是圓環(huán)片、圓環(huán)網(wǎng)或?qū)嵧汀A環(huán);圓環(huán)片的厚度大于10倍射頻電 磁波趨膚深度,圓環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)口寬度小于十分之一射頻電磁波波長。諧振環(huán)的個數(shù)與相互之 間的距離變化,改變了加熱諧振腔的電磁場分布,改變了加熱諧振腔的諧振頻點。仿真軟件 模擬結(jié)果表明,隨著諧振環(huán)個數(shù)的改變和諧振環(huán)間距的改變,圓柱諧振腔的諧振頻率范圍 得到了展寬,有利于圓柱諧振腔加熱不同的生物大體。
[0031] 正饋饋電結(jié)構(gòu)同軸漸變內(nèi)導體結(jié)構(gòu)是從直徑為16. 82mm的內(nèi)導體漸變到直徑 260mm,變化長度為500mm ;同軸內(nèi)導體末端直徑為260mm的圓柱部分長度可調(diào),可調(diào)范圍是 0mm?300mm ;正饋饋電結(jié)構(gòu)同軸外導體是從直徑為400mm變至直徑1050mm,變化長度為 500mm。諧振腔長度為1750mm。諧振環(huán)外直徑為1050mm,內(nèi)直徑為840mm。諧振環(huán)寬度為 150mm,諧振環(huán)之間間距可調(diào)范圍是0mm?150mm。
[0032] 該里給出采用正饋饋電結(jié)構(gòu)和諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的圓柱諧振腔加熱人體的仿真結(jié)果,如 圖2所示,該圖表示某一時刻射頻在帶有人體負載的諧振腔內(nèi)電場分布。仿真結(jié)果表明: 170MHZ-190MHZ射頻場強分布相對較均勻,易于整體均勻加熱。
[0033] 圖3化)中,正饋饋電結(jié)構(gòu)采用同軸線漸變結(jié)構(gòu)。圖3化)中,同軸內(nèi)導體末端圓柱 體長度(4)隨生物大體長度變化而變化,穩(wěn)定了諧振腔的工作頻點,頻率漂移小于lOMHz ; 射頻加熱諧振腔內(nèi),添加=個諧振環(huán)巧),諧振環(huán)間距可調(diào),用W調(diào)節(jié)射頻腔的工作頻點。采 用正饋饋電結(jié)構(gòu)和諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的射頻圓柱加熱腔的端口反射系數(shù)隨生物大體長度的變化 如圖4(b)所示。
[0034] 本發(fā)明的創(chuàng)新點是:
[0035] (1)射頻加熱諧振腔饋電結(jié)構(gòu)采用正饋激勵TMw模的方式,圓柱諧振腔內(nèi)電磁場分 布更為均勻,加熱效果更好。
[0036] 口)在生物大體大小不同時,正饋饋電結(jié)構(gòu)圓柱段內(nèi)導體長度可變,射頻圓柱諧振 腔諧振頻率漂移小于lOMHz,S。從0. 05變化到0. 15,射頻加熱腔能正常工作。該饋電結(jié)構(gòu) 拓寬了射頻加熱諧振腔對不同生物大體的工作范圍。
[0037] 樹射頻加熱圓柱諧振腔采用加諧振環(huán)的方式,調(diào)節(jié)加熱腔的諧振頻點,展寬諧振 頻率范圍,有利于圓柱諧振腔加熱高矮胖瘦不同的生物大體。
【權(quán)利要求】
1. 一種生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),其特征在于:采用正饋饋電結(jié)構(gòu),正饋 饋電結(jié)構(gòu)安裝在圓柱諧振腔一端,包括L40同軸波導、饋電外導體和饋電內(nèi)導體,所述的外 導體為一圓臺,圓臺的下底面與圓柱諧振腔一端吻合連通,圓臺的上底面開有通孔,L40同 軸波導的外導體連通所述的饋電外導體;所述的饋電內(nèi)導體包括同軸圓錐漸變段和圓柱諧 振腔同軸段,L40同軸波導的內(nèi)導體穿過圓臺上底面的通孔連通同軸圓錐漸變段的錐尖一 端,同軸圓錐漸變段的錐底連接圓柱諧振腔同軸段一端且直徑相同;所述的饋電內(nèi)導體與 饋電外導體同軸;所述圓柱諧振腔的內(nèi)壁加裝有若干可調(diào)間距的諧振環(huán),通過調(diào)節(jié)諧振環(huán) 之間的間距和諧振環(huán)個數(shù)調(diào)諧圓柱諧振腔的諧振頻率,使圓柱諧振腔工作頻率帶寬與射頻 源輸出頻率帶寬相同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),其特征在于:所述的 同軸內(nèi)導體與生物大體通過絕緣板連接在一起,圓柱諧振腔同軸段長度隨生物大體長度變 化而變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),其特征在于:所述圓 柱諧振腔同軸段采用可壓縮波紋管結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),其特征在于:所述諧 振環(huán)的結(jié)構(gòu)是圓環(huán)片、圓環(huán)網(wǎng)或?qū)嵭膱A環(huán);圓環(huán)片的厚度大于10倍射頻電磁波趨膚深度, 圓環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)口寬度小于十分之一射頻電磁波波長。諧振環(huán)的個數(shù)與相互之間的距離變化, 改變了加熱諧振腔的電磁場分布,改變了加熱諧振腔的諧振頻點。仿真軟件模擬結(jié)果表明, 隨著諧振環(huán)個數(shù)的改變和諧振環(huán)間距的改變,圓柱諧振腔的諧振頻率范圍得到了展寬,有 利于圓柱諧振腔加熱不同的生物大體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物大體射頻加熱裝置饋電穩(wěn)頻結(jié)構(gòu),其特征在于:所述同 軸圓錐漸變段的錐頂直徑為16. 82mm,錐底直徑為260mm,高500mm ;所述圓柱諧振腔同軸段 直徑為260mm,長度變化范圍是0?300mm ;饋電外導體的錐頂直徑為400mm,錐底直徑為 1050mm,高500mm ;諧振環(huán)寬度為150mm,相鄰諧振環(huán)間距可調(diào)范圍是0?150mm。
【文檔編號】H05B6/00GK104486856SQ201410775587
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】黃文華, 梁鐵柱, 郭國禎, 蘇建倉, 謝學軍, 孫鈞, 王康懿, 李佳偉 申請人:西北核技術(shù)研究所