CN107485793A - 一种毫米波治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备，特别涉及一种毫米波治疗仪，包括：电源转换模块、控制模块、锁相环模块、微带波导转换模块及天线辐射模块。电源转换模块与控制模块连接，电源转换模块为控制模块提供工作电压。控制模块与锁相环模块连接，控制模块控制锁相环模块产生频率信号；锁相环模块通过微带波导转换模块与天线辐射模块连接，频率信号经微带波导转换模块传输至天线辐射模块辐射形成毫米波。本发明提供的毫米波治疗仪设置有锁相环模块，提高了毫米波治疗仪输出毫米波的稳定性，保证了治疗效果。同时减小了锁相环模块产生的毫米波信号的损耗，并且对高次模的抑制起到了良好的作用，有利于锁相环产生的毫米波信号的传输。

Description

一种毫米波治疗仪

技术领域

本发明涉及医疗设备，特别涉及一种毫米波治疗仪。

背景技术

毫米波疗法是指通过特定频率的毫米波信号与人体细胞产生相干谐振为原理，将毫米波信号作用于患病部位或有关穴位，使体内的生物大分子和生物膜发生谐振。谐振能量在人体内传送时引起一系列的生物学反应，并且使组织的微观结构重新排列，蛋白质、氨基酸、酶的活性改变，因而可以调节细胞的代谢和功能，从而达到治疗疾病的目的。毫米波治疗相对于通常的频谱治疗来说，能够以较小的功率起到更好的理疗效果，因而得到越来越广泛的应用。目前的毫米波治疗仪均是利用耿式二极管产生毫米波信号，再通过角锥喇叭天线发射出去作用于人体，端口之间的不匹配使得毫米波信号在传输过程中回波损耗大，不利于资源的节约使用。现有毫米波治疗仪由于振荡管采用的是耿式二极管，其产生的毫米波信号不够稳定，在耿式二极管工作时，并不是只要提供电压和电流就可以实现振荡工作，它需要精密调试后才可以振荡发射出毫米波频率，并且耿式二极管容易出现停振现象，即没有功率输出，不能产生稳定的毫米波信号，难以确定毫米波治疗仪输出的毫米波信号的频点和功率值大小，更无法依此调节信号功率。

发明内容

基于上述分析，本发明通过提供一种毫米波治疗仪，解决了现有技术中产生的毫米波信号不稳定、以及毫米波治疗仪的回波损耗大的技术问题。

本发明提供了一种毫米波治疗仪，包括：电源转换模块、控制模块、锁相环模块、微带波导转换模块及天线辐射模块；

所述电源转换模块与所述控制模块连接，所述电源转换模块为所述控制模块提供工作电压；

所述控制模块与所述锁相环模块连接，所述控制模块控制所述锁相环模块产生频率信号；

所述锁相环模块通过所述微带波导转换模块与所述天线辐射模块连接，所述频率信号经所述微带波导转换模块传输至所述天线辐射模块辐射形成毫米波。

进一步地，所述电源转换模块包括：变压器转换电路、整流电路、滤波电路及稳压电路；外部电源与所述变压器转换电路连接；

所述变压器转换电路通过所述整流电路与所述滤波电路连接；

所述滤波电路经所述稳压电路与所述控制模块连接。

进一步地，所述稳压电路还设置有+12V直流电、-5V直流电及+5V直流电输出端口。

进一步地，所述锁相环模块包括：晶振、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器及倍频器；

所述晶振顺次经过所述鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及所述倍频器与所述微带波导转换模块连接；

所述压控振荡器通过所述分频器与所述鉴相器连接。

进一步地，所述倍频器为两个，两个所述倍频器串联连接。

进一步地，所述微带波导转换模块包括：微带线、同轴探针及矩形波导；

所述微带线的一端与所述锁相环模块连接，另一端经所述同轴探针与矩形波导连接；

所述矩形波导与所述天线辐射模块连接。

进一步地，所述天线辐射模块为矩形喇叭天线。

进一步地，所述矩形喇叭天线的波导管部分的横截面尺寸与所述矩形波导的横截面尺寸相同；

所述矩形波导通过法兰盘与所述矩形喇叭天线连接。

进一步地，还包括：触摸屏显示模块；所述触摸屏显示模块与所述控制模块连接。

进一步地，所述控制模块为单片机控制模块。

本发明提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的毫米波治疗仪设置有锁相环模块，锁相环模块的使用稳定了毫米波治疗仪的工作频率，在工作频段外的信号功率很小，基本可以忽略，不会出现对人体有害的信号频段。本发明提供的毫米波治疗仪设置有微带波导转换模块，微带波导转换模块的使用减小了毫米波信号在传输过程中的损耗和对抑制高次模起到了良好的作用，完成了端口之间的良好匹配，有利于锁相环产生的毫米波信号的传输，提升了毫米波治疗仪的性能和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的毫米波治疗仪的整体结构框图；

图2是本发明实施例提供的电压转换模块结构框图；

图3是本发明实施例提供的毫米波治疗仪信号源模块结构框图；

图4是本发明实施例提供的微带波导转换模块结构示意图；

图5是本发明实施例提供的控制模块电压监测流程图；

图6是本发明实施例提供的触摸屏显示模块工作流程图；

图7是本发明实施例提供的喇叭天线辐射模块的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的毫米波辐射的回波损耗仿真曲线图；

图9是本发明实施例提供的毫米波辐射的电压驻波比仿真曲线图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种毫米波治疗仪，解决了现有技术中产生的毫米波信号不稳定以及毫米波治疗仪的回波损耗大的技术问题。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

提供一种毫米波治疗仪，主要包括：电源转换模块、控制模块、锁相环模块、微带波导转换模块及天线辐射模块。其中，电源转换模块与控制模块连接，电源转换模块用于为控制模块提供工作电压。控制模块与锁相环模块连接，控制模块用于控制锁相环模块产生频率信号。锁相环模块通过微带波导转换模块与天线辐射模块连接，频率信号经微带波导转换模块传输至天线辐射模块辐射形成用于医学治疗的毫米波。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种毫米波治疗仪，该毫米波治疗仪主要包括：电源转换模块、控制模块、锁相环模块、微带波导转换模块、天线辐射模块及触摸屏显示模块几部分，利用毫米波治疗仪产生的毫米波对人体或动物进行治疗。

其中，参见图2，电源转换模块包括：变压器转换电路、整流电路、滤波电路及稳压电路。变压器转换电路通过整流电路与滤波电路连接；滤波电路经稳压电路与控制模块连接。

参见图2，外部电源采用220V交流电，外部电源与变压器转换电路连接，变压器转换电路将外部接入的220V交流电降压后输入整流电路。整流电路与滤波电路连接，整流电路将交流电转换为直流电后输入滤波电路，滤波电路虑去整流电路输出电压中的纹波。滤波电路经稳压电路与控制模块连接，稳压电路对滤波输出电压进行电压稳定后输送至控制模块，稳压电路设置有

+12V直流电、-5V直流电及+5V直流电输出端口，驱动毫米波治疗仪内部的各个功能模块。

在具体实施过程中，控制模块采用单片机。单片机控制电路的利用为触摸屏显示电路提供了I/O输入输出接口。参见图5，单片机可以通过软件中断设计实时监测电压，以此判断主机是否正常工作；通过软件写入锁相环寄存器值来调节压控振荡器的控制电压，即控制锁相环的输出频率，实现毫米波治疗仪的智能化。

在具体实施过程中，参见图3，锁相环模块包括：晶振、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器及倍频器。晶振与控制模块连接，晶振顺次经过鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及倍频器与微带波导转换模块连接；压控振荡器通过分频器与鉴相器连接。其中，倍频器为两个，两个倍频器串联连接。

鉴相器是一种用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差的装置，其中输出的误差信号u_d(t)是相位差信号的函数：

环路滤波器是将鉴相器输出的具有纹波的直流进行平均化的处理后，将此直流电压信号中的交流成分减少，其本质是低通滤波器，具有滤除电压波纹的功能，并且具有稳定的锁相环环路传输特性。

压控振荡器利用输入的直流电压信号来控制振荡器的震荡频率，即：

w_v(t)＝w₀+K₀*u_c(t)

其中，w_v(t)是压控振荡器输出的瞬时角频率，w₀是压控振荡器的自由振荡角频率，K₀是压控振荡器的控制灵敏度，u_c(t)是由鉴相器和环路滤波器产生的直流电压信号。

锁相环模块工作过程中：压控振荡器在输入调谐电压的控制下，输出一个频率信号，这个信号可以分为两个部分，一个部分作为下一级电路的输入，另一个部分作反馈信号通过分频器后，与锁相环模块的参考信号一同输入到鉴相器中作相位的比较，输出一个直流电压信号，然后由环路滤波器将此直流电压信号中的交流成分减少，输出到压控振荡器中。压控振荡器利用输入的直流电压信号来控制振荡器的振荡频率，使得相位误差稳定在一个固定值，从而保持频率的稳定性。如果相位误差发生变化，则锁相环模块输出的调谐电压这时将影响压控振荡器的输出信号频率，直到相位误差重新稳定后，再次进行频率锁定。将锁相环产生的稳定的频率信号经过两级倍频器，得到需要的稳定的毫米波信号。

在具体实施过程中，参见图4，微带波导转换模块包括：微带线4、同轴探针及矩形波导。微带线4设置在介质基板1上，微带线4的一端与锁相环模块连接，另一端经同轴探针3与矩形波导2连接；矩形波导2与天线辐射模块连接。

参见图4，微带波导转换模块是将锁相环模块产生的31.2GHZ-34.8GHZ频率的毫米波信号由微带线4输出，其输入输出都要用到特征阻抗Z₀为50Ω的微带线4来和前级和后级电路匹配，微带线4的特征阻抗Z₀的值由微带线4的宽度w、PCB板的介电常数ε_r、PCB板子厚度h、铜箔厚度t等参数决定。在此毫米波治疗仪设计中介质基板材料采用“Rogers RT/duroid5880(tm)”，其介电常数ε_r是2.2，介质基板的厚度h为0.254mm，铜箔厚度T可忽略不计，微带线4特征阻抗Z₀的计算公式为：

由微带线4特征阻抗公式可求得微带线4宽度，在微带线4宽度确定后，由于微带线4是目前主流的平面传输线，它可以用照相印制工艺加工，并且容易与其他无源和有源微波器件集成，因此在本毫米波治疗仪设计中锁相环模块产生的毫米波信号由微带线4引出，与锁相环模块内部电路的介质基板整体制作，具有结构简单、一致性好且重量较轻等优点，在工程应用中十分方便。另外，矩形波导2不仅具有结构简单、机械强度大的优点，由于它是封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗。在微带线4到矩形波导2的转换过程中，矩形波导2工作于TE10模，微带线4工作于准TEM模，微带线4到矩形波导2转接的问题，其实质是工作模式变换问题。工作模式转换需要实现宽频带的阻抗匹配，即矩形波导2的特性阻抗等于微带的特性阻抗，矩形波导2的特性阻抗公式为：

其中，Z₀是矩形波导2的特性阻抗，a与b分别是矩形波导2横截面的长与宽，λ是毫米波信号自由空间波长，μ与ε分别是矩形波导2内填充媒质的磁导率与介电常数，λ_c是矩形波导2的截止波长，m与n分别是x方向与y方向变化的半周期数，矩形波导2TE10模的截止波长为2a，以及单模传输条件是波长大于2b且小于2a和大于a，矩形波导2的截止波长λ_c公式为

为了使矩形波导2工作于TE10主模，实现单模传输，需要根据毫米波信号所在频率合理设计矩形波导2的截面尺寸。在微带线4到波导的转换中，使用了一个同轴探针3作为过渡，将同轴探针3一端插入介质基板，与微带线4紧贴在一起，另一端插入矩形波导2的上表面，插入深度与同轴探针3到短路面的距离都将影响毫米波从微带线4传输到矩形波导2的回波损耗，因此需要合理设计。

微带波导转换模块的使用不仅减小了锁相环模块产生的毫米波信号的损耗，并且对高次模的抑制起到了良好的作用，有利于锁相环产生的毫米波信号的传输。本实施例中，产生毫米波信号的锁相环模块与微带波导转换模块都集成到一个金属小盒子里面，另外电路板被固定在封闭的金属小盒子里面，使之不易受到外面环境的影响，不会出现在使用过程中容易出现脱焊或接触不良的问题，气密性较好，可以对锁相环模块中的芯片等器件起到很好的保护，增强了毫米波治疗仪的可靠性，延长了毫米波治疗仪的使用寿命。

参见图2及图7，天线辐射模块为矩形喇叭天线5，矩形喇叭天线5的波导管部分的横截面尺寸与矩形波导2的横截面尺寸相同；矩形波导2通过法兰盘与矩形喇叭天线连接。本实施例提供的毫米波治疗仪采用矩形喇叭天线5将毫米波信号辐射出去，矩形喇叭天线5的波导管部分的横截面尺寸与微带波导转换模块中的矩形波导2的横截面尺寸相同，使得矩形波导2与矩形喇叭天线5通过法兰盘很容易在回波损耗低的情况下连接在一起。矩形喇叭天线5的辐射方向图是由喇叭的口径尺寸和已知的口径场的分布所决定的，方向简单而且容易控制，其基本形式是把矩形波导2开口面逐渐扩展而形成的，改善了波导与自由空间的匹配，使得矩形喇叭天线5的回波损耗低，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小，使得毫米波治疗仪能够以更小的功率取得良好的治疗效果，毫米波辐射的回波损耗仿真曲线如图8所示，毫米波辐射的电压驻波比仿真曲线如图9所示。

参见图6，触摸屏显示模块与控制模块连接，触摸屏接收到触摸信号之后，将触摸数据转换成电脉冲，传送到触摸屏控制IC进行处理，在把数据传到控制模块之前，需要使用软件分析数据，确定每次触摸的功能，这使人们可以通过点触显示器自行选择输出频率。触摸屏显示模块的利用使锁相环输出的毫米波信号的频率和功率显示在液晶显示屏上，能直观的显示锁相环是否有输出功率和输出功率的大小，方便调节毫米波信号功率，使输出毫米波信号功率对人体有益，提高了毫米波治疗仪的安全性能。

本发明实施例提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果：

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有锁电压转换模块，利用电压转换模块将220V交流电转换为各个模块正常工作的直流电，使得整个毫米波治疗仪条理清晰，设计结构变得简单，有利于毫米波治疗仪各个部件的装配。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有锁相环模块，锁相环模块的使用稳定了毫米波治疗仪的工作频率，在工作频段外的信号功率很小，基本可以忽略，不会出现对人体有害的信号频段。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有微带波导转换模块，微带波导转换模块的使用减小了毫米波信号在传输过程中的损耗和对抑制高次模起到了良好的作用，完成了端口之间的良好匹配，有利于锁相环模块产生的毫米波信号的传输，提升了毫米波治疗仪的性能和可靠性。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有单片机，单片机的利用使毫米波治疗仪更加智能化，可以通过软件中断设计实时监测电压，以此判断主机是否正常工作；通过软件写入锁相环寄存器值来调节频率变化，控制让其输出所需要的频点。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有触摸屏模块，触摸屏模块的使用使得人们能够非常直观的明白毫米波信号的功率大小，避免了功率过大对人体造成的有害影响和功率过小使毫米波治疗仪不能正常工作的缺点。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪设置有喇叭天线，喇叭天线的设计使其拥有良好的驻波比和辐射特性，能够将毫米波能量良好的辐射给用户，进行毫米波治疗。

本发明实施例提供的毫米波治疗仪，产生毫米波信号的锁相环电路与微带波导转换两个模块都被集成到了金属盒内部。由于电路板被固定在封闭的金属盒内部，使之不易受到外面环境的影响，不会出现在使用过程中容易出现脱焊或接触不良的故障，气密性较好，可以对锁相环电路中的芯片等器件起到很好的保护，增强了毫米波治疗仪的可靠性，延长了毫米波治疗仪的使用寿命，有利于毫米波治疗仪的应用与推广。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种毫米波治疗仪，其特征在于，包括：电源转换模块、控制模块、锁相环模块、微带波导转换模块及天线辐射模块；

所述电源转换模块与所述控制模块连接，所述电源转换模块为所述控制模块提供工作电压；

所述控制模块与所述锁相环模块连接，所述控制模块控制所述锁相环模块产生频率信号；

所述锁相环模块通过所述微带波导转换模块与所述天线辐射模块连接，所述频率信号经所述微带波导转换模块传输至所述天线辐射模块辐射形成毫米波。

2.如权利要求1所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述电源转换模块包括：变压器转换电路、整流电路、滤波电路及稳压电路；外部电源与所述变压器转换电路连接；

所述变压器转换电路通过所述整流电路与所述滤波电路连接；

所述滤波电路经所述稳压电路与所述控制模块连接。

3.如权利要求2所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述稳压电路还设置有+12V直流电、-5V直流电及+5V直流电输出端口。

4.如权利要求1所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述锁相环模块包括：晶振、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器及倍频器；

所述晶振顺次经过所述鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及所述倍频器与所述微带波导转换模块连接；

所述压控振荡器通过所述分频器与所述鉴相器连接。

5.如权利要求4所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述倍频器为两个，两个所述倍频器串联连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述微带波导转换模块包括：微带线、同轴探针及矩形波导；

所述微带线的一端与所述锁相环模块连接，另一端经所述同轴探针与矩形波导连接；

所述矩形波导与所述天线辐射模块连接。

7.如权利要求1-5任一项所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述天线辐射模块为矩形喇叭天线。

8.如权利要求7所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述矩形喇叭天线的波导管部分的横截面尺寸与所述矩形波导的横截面尺寸相同；

所述矩形波导通过法兰盘与所述矩形喇叭天线连接。

9.如权利要求1-5任一项所述的毫米波治疗仪，其特征在于，还包括：触摸屏显示模块；所述触摸屏显示模块与所述控制模块连接。

10.如权利要求1-5任一项所述的毫米波治疗仪，其特征在于，所述控制模块为单片机控制模块。