CN104486856A

CN104486856A - 一种生物大体射频加热装置馈电稳频结构

Info

Publication number: CN104486856A
Application number: CN201410775587.3A
Authority: CN
Inventors: 黄文华; 梁铁柱; 郭国祯; 苏建仓; 谢学军; 孙钧; 王康懿; 李佳伟
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: CN104486856B

Abstract

本发明提供了一种生物大体射频加热装置馈电稳频结构，采用正馈激励圆波导TM₀₁模的方法，使得射频加热腔内射频能量分布均匀，综合加热效果更优。馈电同轴内导体长度可变，对高矮胖瘦不同生物大体，可稳定射频谐振腔工作频点，提高射频源和加热腔的工作可靠性。射频腔添加三个或多个分立谐振环，可用以调节射频谐振腔的谐振频点，提高谐振腔对不同生物大体的加热性能。

Description

一种生物大体射频加热装置馈电稳频结构

技术领域

本发明属射频加热技术，具体涉及一种将射频应用于生物大体的热疗和均匀加热处理的技术。

背景技术

实用新型专利“一种生物大体加热装置”(201220323720.8)提供了一种生物大体射频加热装置，如图1所示。该装置采用中心频率为180MHz射频加热。其主要特点是该频段电磁波透射深度深，谐振加热腔尺寸与生物大体相当。该方法中馈电结构采用偏馈方法激励圆波导TE₁₁模，如图3(a)所示。偏馈激励方法是将内导体深入圆波导内，采用电耦合的方法激励圆波导TE₁₁模。在圆柱谐振腔内，内导体可等效为线振子—探针天线。内导体长度约等于四分之一波长或其奇数倍，如式L＝λ/4＝c/4f所示，c为光速。当激励内导体长度L一旦确定后，射频加热腔激励频带宽度随之确定。也就是说，偏馈TE₁₁模激励器只能在谐振腔内激励起某一频率的TE₁₁模，其激励带宽过窄，小于20MHz。因此，偏馈激励方式圆波导TE₁₁模存在激励带宽过窄的问题。

此外，当射频加热谐振腔尺寸确定后，谐振腔的谐振工作频率只与谐振腔的等效介电常数相关。如式所示。当被加热生物大体高矮胖瘦发生变化时，谐振腔的等效介电常数ε_e随之变化，由此导致圆柱谐振腔谐振频率f漂移。当谐振频率点在射频输出源输出带宽之外时，将导致加热系统无法正常工作。这时需要通过调节射频谐振腔的馈电结构和圆柱腔体结构来调节谐振频率点，使其在射频源输出范围之内。

因此，上述实用新型专利“一种生物大体加热装置”(201220323720.8)存在工作频带过窄、工作频点随生物大体大小发生漂移等现象，飘移范围大于20MHz，超出射频源输出频率范围，如图4(a)所示。同时，由于工作频率点的飘移，导致射频工作频点反射系数过大，影响射频加热源的正常工作，最终导致加热效果不明显。当加热负载大小确定后，谐振腔的工作频率点随之确定。该装置存在谐振腔谐振频点不易调节的缺点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种生物大体射频加热腔馈电方法和可调节谐振环结构，能够改善射频加热圆柱腔的工作频率漂移范围，稳定射频加热圆柱腔的工作频率点，提高生物大体射频加热腔加热性能，并适应不同大小的生物大体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用正馈馈电结构，正馈馈电结构安装在圆柱谐振腔一端，包括L40同轴波导、馈电外导体和馈电内导体，所述的外导体为一圆台，圆台的下底面与圆柱谐振腔一端吻合连通，圆台的上底面开有通孔，L40同轴波导的外导体连通所述的馈电外导体；所述的馈电内导体包括同轴圆锥渐变段和圆柱谐振腔同轴段，L40同轴波导的内导体穿过圆台上底面的通孔连通同轴圆锥渐变段的锥尖一端，同轴圆锥渐变段的锥底连接圆柱谐振腔同轴段一端且直径相同；所述的馈电内导体与馈电外导体同轴；所述圆柱谐振腔的内壁加装有若干可调间距的谐振环，通过调节谐振环之间的间距和谐振环个数调谐圆柱谐振腔的谐振频率，使圆柱谐振腔工作频率带宽与射频源输出频率带宽相同。

所述的同轴内导体与生物大体通过绝缘板连接在一起，圆柱谐振腔同轴段长度随生物大体长度变化而变化。

所述圆柱谐振腔同轴段采用可压缩波纹管结构。

所述谐振环的结构是圆环片、圆环网或实心圆环；圆环片的厚度大于10倍射频电磁波趋肤深度，圆环网的网口宽度小于十分之一射频电磁波波长。谐振环的个数与相互之间的距离变化，改变了加热谐振腔的电磁场分布，改变了加热谐振腔的谐振频点。仿真软件模拟结果表明，随着谐振环个数的改变和谐振环间距的改变，圆柱谐振腔的谐振频率范围得到了展宽，有利于圆柱谐振腔加热不同的生物大体。

所述同轴圆锥渐变段的锥顶直径为16.82mm，锥底直径为260mm，高500mm；所述圆柱谐振腔同轴段直径为260mm，长度变化范围是0～300mm；馈电外导体的锥顶直径为400mm，锥底直径为1050mm，高500mm；谐振环宽度为150mm，相邻谐振环间距可调范围是0～150mm。

本发明的有益效果是：采用同轴内导体渐变激励圆波导TM₀₁模的正馈馈电结构，在射频加热腔内激励TM₀₁模。在射频谐振腔内有TM₀₁₁和TM₀₁₂等谐振工作模式，射频加热谐振腔内场分布相比激励TE₁₁₁和TE₁₁₂等模式更为均匀，生物大体加热效果更好。采用圆柱谐振腔同轴段内导体长度随生物大体长度变化而变化，主要是为稳定射频加热腔的工作频率范围。射频圆柱谐振腔内添加可调节间距的谐振环，主要是为调节谐振腔谐振频点，展宽谐振范围，稳定谐振腔工作频率点。

附图说明

图1是偏馈激励TE₁₁₁模射频加热谐振腔效果图；

图2是正馈激励TM₀₁₁模射频加热谐振腔效果图；

图3(a)是偏馈激励射频加热谐振腔结构图；(b)是正馈激励射频加热谐振腔结构图；

图4(a)是偏馈激励TE₁₁模射频加热谐振腔工作馈电端口S参数示意图；(b)是正馈激励TM₀₁模射频加热谐振腔工作馈电端口S参数示意图；

图中，1-射频谐振腔，2-人体，3-射频场分布，4-同轴圆锥渐变段和圆柱谐振腔同轴段内导体；5-180MHz射频传输线L40波导，6-915MHz微波波导传输线，7-915MHz微波同轴传输线L40波导，8-间距可调谐振环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的技术方案包括：1，采用正馈且同轴内导体结构随生物大体长度变化而变化的一种馈电结构；2，射频腔内加三个或多个可调间距谐振环。

所述的正馈是同轴渐变式激励圆波导TM₀₁模的结构。正馈馈电结构主要包括L40同轴内导体、同轴圆锥渐变段和圆柱谐振腔同轴段三部分。采用该正馈结构，波导内外导体同时变化，不存在激励器激励带宽过窄的问题。射频源输出电磁波频率只要满足谐振腔谐振工作条件，正馈TM₀₁模激励器均能在谐振腔内激励起谐振模式。采用同轴渐变结构在谐振腔内激励起TM₀₁₁和TM₀₁₂等谐振模式，其能量分布比偏馈激励的TE₁₁₁和TE₁₁₂模式更为均匀。在正馈结构中，圆柱谐振腔同轴段内导体结构长度随生物大体长度变化而变化，可以稳定圆柱谐振腔谐振工作频率。其原理是：生物大体与同轴内导体通过绝缘板连接在一起，使圆柱谐振腔等效成同轴圆柱谐振腔，而同轴圆柱谐振腔的谐振带宽相对较宽，客观上起到稳定谐振工作频率的作用。

圆柱谐振腔内可调间距谐振环能够改变谐振腔的物理结构，改变谐振腔内电磁场分布，从而起到调节谐振腔谐振频率的作用。我们知道，谐振腔谐振频率加热负载大小变化引起等效介电常数ε_e随之变化，为使得谐振腔谐振工作频频率f不变，则合理办法是改变谐振本征频率f₀。而a和h分别为圆柱谐振腔的半径和高度。要改变本征频率f₀，应改变a和h。谐振环的个数和可调间距变化起到了改变a和h的作用。因此，射频腔内加三个或多个可调间距谐振环可以起到调谐谐振频率并稳定谐振腔工作频率。

本发明包括以下内容：

(1)射频加热圆柱谐振腔馈电结构采用正馈方式，L40波导传输线与射频加热谐振腔连接采用均匀渐变结构，激励圆波导TM₀₁模，在谐振腔中激励起TM₀₁₁和TM₀₁₂模式。与偏馈激励TE₁₁₁和TE₁₁₂模式相比，正馈激励场分布相对较均匀，加热效果良好。正馈激励TM₀₁模激励器不存在工作带宽过窄等问题。(2)射频加热腔中的生物大体负载高矮不同，正馈馈电结构圆柱谐振腔同轴内导体长度随加热人体高矮而变化。在该方式下，射频谐振腔谐振频率漂移小于10MHz，与射频源频率输出带宽范围一致。(3)射频加热谐振腔采用加可调间距谐振环的方式，其主要作用是通过调节谐振环之间的间距和谐振环个数调谐射频加热腔的谐振频率，使加热腔工作频率带宽与射频源输出频率带宽相同，射频源工作在正常状态。

偏馈激励TE₁₁模射频加热谐振腔工作在TE₁₁₁和TE₁₁₂谐振模式下，射频场强分布存在局部集中等现象，如图1所示。其馈电结构是L40同轴内导体激励探针，在输入功率较高时，内导体顶端存在击穿打火现象。偏馈激励射频加热谐振腔在负载大小变化时，L40激励端口反射系数S₁₁如图4(a)所示，谐振反射频率点从172MHz变化到205MHz，这超出了射频加热源的频率输出范围(170MHz-190MHz)；同时，S₁₁从0.05变化到0.4，也超出了射频源所允许的正常工作范围(0<S₁₁<0.2)。因此，现有偏馈激励TE₁₁模射频加热谐振腔存在工作频率范围窄，不能适应生物大体负载高矮胖瘦变化等缺点。

本发明采用正馈激励TM₀₁₁模射频加热圆柱谐振腔，主要是将谐振腔工作模式由TE₁₁₁和TE₁₁₂变成TM₀₁₁和TM₀₁₂模式，使得谐振腔内场分布更为均匀，如图2所示。理论分析表明，在相同馈入功率下，圆波导TM₀₁模比圆波导TE₁₁模场分布更为均匀，TM₀₁模的最高场强是TE₁₁模最高场强的三分之二。因此，采用正馈激励TM₀₁模馈电结构比采用偏馈激励TE₁₁模在提高加热效果方面更有效，如图1、图2所示。

为稳定射频加热圆柱谐振腔的工作频率点，馈电结构采用L40内导体同轴渐变传输线的方式，同时在圆柱谐振腔内同轴段(图3-4)同轴内导体长度可变。生物大体长度变化时，内导体采用自动调节的方式，适应生物大体长度的变化。谐振腔同轴段内导体自动调节结构，采用可压缩波纹管结构。波纹管纹深约为10mm，截距约为30mm。在该馈电结构形式下，L40激励端口反射系数S₁₁如图4(b)所示。当加热生物大体大小变化时，谐振腔谐振频率点从175MHz变化到182MHz，远小于射频加热源的频率输出范围(170MHz-190MHz)；馈电端口反射系数S₁₁从0.05变化到0.15，适合射频源所允许的正常工作范围(0<S₁₁<0.2)。

为调节射频加热圆柱谐振腔的工作频率点，本发明采用加谐振环的方式，调节射频加热谐振腔的工作频点。谐振环的结构可以是圆环片、圆环网、实心圆环等结构。圆环片的厚度大于10倍射频电磁波趋肤深度。圆环网的网口宽度小于十分之一射频电磁波波长。谐振环的个数与相互之间的距离变化，改变了加热谐振腔的电磁场分布，改变了加热谐振腔的谐振频点。仿真软件模拟结果表明，随着谐振环个数的改变和谐振环间距的改变，圆柱谐振腔的谐振频率范围得到了展宽，有利于圆柱谐振腔加热不同的生物大体。

如图3(b)所示，本发明采用正馈馈电结构，正馈馈电结构安装在圆柱谐振腔一端，包括L40同轴波导、馈电外导体和馈电内导体，所述的外导体为一圆台，圆台的下底面与圆柱谐振腔一端吻合连通，圆台的上底面开有通孔，L40同轴波导的外导体连通所述的馈电外导体；所述的馈电内导体包括同轴圆锥渐变段和圆柱谐振腔同轴段，L40同轴波导的内导体穿过圆台上底面的通孔连通同轴圆锥渐变段的锥尖一端，同轴圆锥渐变段的锥底连接圆柱谐振腔同轴段一端且直径相同；所述的馈电内导体与馈电外导体同轴；所述圆柱谐振腔的内壁加装有若干可调间距的谐振环，通过调节谐振环之间的间距和谐振环个数调谐圆柱谐振腔的谐振频率，使圆柱谐振腔工作频率带宽与射频源输出频率带宽相同。

所述圆柱谐振腔同轴段采用可压缩波纹管结构。

正馈馈电结构同轴渐变内导体结构是从直径为16.82mm的内导体渐变到直径260mm，变化长度为500mm；同轴内导体末端直径为260mm的圆柱部分长度可调，可调范围是0mm～300mm；正馈馈电结构同轴外导体是从直径为400mm变至直径1050mm，变化长度为500mm。谐振腔长度为1750mm。谐振环外直径为1050mm，内直径为840mm。谐振环宽度为150mm，谐振环之间间距可调范围是0mm～150mm。

这里给出采用正馈馈电结构和谐振环结构的圆柱谐振腔加热人体的仿真结果，如图2所示，该图表示某一时刻射频在带有人体负载的谐振腔内电场分布。仿真结果表明：170MHz-190MHz射频场强分布相对较均匀，易于整体均匀加热。

图3(b)中，正馈馈电结构采用同轴线渐变结构。图3(b)中，同轴内导体末端圆柱体长度(4)随生物大体长度变化而变化，稳定了谐振腔的工作频点，频率漂移小于10MHz；射频加热谐振腔内，添加三个谐振环(8)，谐振环间距可调，用以调节射频腔的工作频点。采用正馈馈电结构和谐振环结构的射频圆柱加热腔的端口反射系数随生物大体长度的变化如图4(b)所示。

本发明的创新点是：

⑴射频加热谐振腔馈电结构采用正馈激励TM₀₁模的方式，圆柱谐振腔内电磁场分布更为均匀，加热效果更好。

⑵在生物大体大小不同时，正馈馈电结构圆柱段内导体长度可变，射频圆柱谐振腔谐振频率漂移小于10MHz,S₁₁从0.05变化到0.15，射频加热腔能正常工作。该馈电结构拓宽了射频加热谐振腔对不同生物大体的工作范围。

⑶射频加热圆柱谐振腔采用加谐振环的方式，调节加热腔的谐振频点，展宽谐振频率范围，有利于圆柱谐振腔加热高矮胖瘦不同的生物大体。

Claims

1.一种生物大体射频加热装置馈电稳频结构，其特征在于：采用正馈馈电结构，正馈馈电结构安装在圆柱谐振腔一端，包括L40同轴波导、馈电外导体和馈电内导体，所述的外导体为一圆台，圆台的下底面与圆柱谐振腔一端吻合连通，圆台的上底面开有通孔，L40同轴波导的外导体连通所述的馈电外导体；所述的馈电内导体包括同轴圆锥渐变段和圆柱谐振腔同轴段，L40同轴波导的内导体穿过圆台上底面的通孔连通同轴圆锥渐变段的锥尖一端，同轴圆锥渐变段的锥底连接圆柱谐振腔同轴段一端且直径相同；所述的馈电内导体与馈电外导体同轴；所述圆柱谐振腔的内壁加装有若干可调间距的谐振环，通过调节谐振环之间的间距和谐振环个数调谐圆柱谐振腔的谐振频率，使圆柱谐振腔工作频率带宽与射频源输出频率带宽相同。

2.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置馈电稳频结构，其特征在于：所述的同轴内导体与生物大体通过绝缘板连接在一起，圆柱谐振腔同轴段长度随生物大体长度变化而变化。

3.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置馈电稳频结构，其特征在于：所述圆柱谐振腔同轴段采用可压缩波纹管结构。

4.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置馈电稳频结构，其特征在于：所述谐振环的结构是圆环片、圆环网或实心圆环；圆环片的厚度大于10倍射频电磁波趋肤深度，圆环网的网口宽度小于十分之一射频电磁波波长。谐振环的个数与相互之间的距离变化，改变了加热谐振腔的电磁场分布，改变了加热谐振腔的谐振频点。仿真软件模拟结果表明，随着谐振环个数的改变和谐振环间距的改变，圆柱谐振腔的谐振频率范围得到了展宽，有利于圆柱谐振腔加热不同的生物大体。

5.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置馈电稳频结构，其特征在于：所述同轴圆锥渐变段的锥顶直径为16.82mm，锥底直径为260mm，高500mm；所述圆柱谐振腔同轴段直径为260mm，长度变化范围是0～300mm；馈电外导体的锥顶直径为400mm，锥底直径为1050mm，高500mm；谐振环宽度为150mm，相邻谐振环间距可调范围是0～150mm。