CN108259011A - 一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统 - Google Patents

一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统 Download PDF

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Abstract

一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统包括：设置在电路板上的N个功率放大器阵列，每个功率放大器阵列包括多个并排设置的功率放大器，所述功率放大器阵列中的多个功率放大器由同一个供电电源提供电能，所述功率放大器阵列中的功率放大器包括独立的输入接口和输出接口，同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，其中N为大于或等于2的自然数。本系统能够方便对单个功率放大器进行检测，并且能够有效的减少各个功率放大器的相位偏差，提高相控阵高强聚焦超声设备的精度。

Description

一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统
技术领域
本发明属于高强聚焦超声领域，尤其涉及一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统。
背景技术
相控阵高强聚焦超声(英文全称为：High Intensity Focused Ultrasound,英文简称为：HIFU)技术，是通过控制平面阵列各阵元输入信号的相位和幅值而形成声场的电子聚焦，能实现聚焦焦斑的相控扫描，可用于手术治疗。
相控聚焦方式利用控制信号的相位和幅值形成各阵列元声束的大范围空间聚焦，对每只超声换能器一一对应的功率放大器(功放)的设计非常关键。目前所使用的功率放大器，主要包括单模块合并应用和多路功率放大器集成化应用。
其中，如图1所示，单模块合并应用是指多路功率放大器中每个功率放大器是完全单独的个体，输入输出端口以及供电电源均是独立的，由于采用独立的设备，导致多路功率放大器体积庞大，供电电源走线复杂。
如图2所示，多路功率放大器集成化应用将多路功率放大器集中在一块电路板上，通过统一电源供电，可以减小功率放大器电路的体积，使供电电源走线简单。但是，多路功率放大器的输入端和输出端分别集中在一个多插针的接头上，不方便测试单路功率放大器的性能，并且多路功率放大器各输入输出端走线长短不同，导致多路功率放大器之间的相位偏差较大，影响相控阵高强聚焦超声设备的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种，以解决现有技术由于多路功率放大器集成的功放不利于测试单路功放性能，并且多路功放之间相位偏差较大，影响相控阵高强聚焦超声设备的精度的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统，所述功放系统包括：
设置在电路板上的N个功率放大器阵列，每个功率放大器阵列包括多个并排设置的功率放大器，所述功率放大器阵列中的多个功率放大器由同一个供电电源提供电能，所述功率放大器阵列中的功率放大器包括独立的输入接口和输出接口，同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，其中N为大于或等于2的自然数。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述电路板上的功率放大器阵列包括设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列，和/或设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列，其中，设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列的接口对称分布，和/或，设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列的接口对称分布。
结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述功率放大器的输出接口分布在所述功放大器的靠近对称中心线一侧的位置。
结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述功放系统包括两个功率放大器组件和两个供电电源，每个供电电源单独为一个功率放大器阵列供电，每个功率放大器阵列中包括16路功率放大器。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现方式、第一方面的第二种可能实现方式、第一方面的第三种可能实现方式，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述输入端口和/或输出端口为MCX连接件，所述MCX连接件的特性阻抗为50欧姆。
结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述功放系统还包括用于监测每个功率放大器的工作状态的状态监测电路，所述状态监测电路包括多个与所述功率放大器对应的LED状态灯。
结合第一方面，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述功放系统还包括用于监测每个功率放大器的工作状态的状态监测电路，所述状态监测电路包括多个与所述功率放大器对应的LED状态灯。
结合第一方面，在第一方面的第七种可能实现方式中，所述功放系统还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述电路板上用于检测所述功率放大器的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率。
结合第一方面，在第一方面的第八种可能实现方式中，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率具体为：
控制器根据预先拟合的功率放大器静态工作点随着温度的变化的曲线，以及功率放大器增益随着温度变化的拟合曲线，查找当前由温度传感器检测温度所对应的静态工作点及功率放大器增益，调整所述功率放大器的输出功率。
结合第一方面的第八种可能实现方式，在第一方面的第九种可能实现方式中，所述控制器为单片机。
在本发明中，将电路板上设置的多个功率放大器设置为两个以上的功率放大器阵列，对于同一功率放大器阵列中的功率放大器由同一供电电源供电，可以避免电源走线复杂；并且对于功率放大器阵列中的功率放大器设置独立的输入接口和输出接口，可便于对单个的功率放大器进行检测，并且同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，使得各个功率放大器的输入端和输出端走线样式和走线长度相同，从而能够有效的减少各个功率放大器的相位偏差，提高相控阵高强聚焦超声设备的精度。
附图说明
图1是本发明提供的现有技术的单路放大器的结构示意图；
图2是本发明提供的现有技术的多路放大器集成化应用的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的相控阵高强聚焦超声设备的功放系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的目的在于提供一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统，以解决现有技术中的相控阵高强聚焦超声设备中，功放系统中的多路功率放大器时，一般使用多个如图1所示的单路放大器，其输入接口、输出接口和电源均独立设计。当功放系统包括多个功率放大器时，相应的需要设置多条电源走线，导致电源走线复杂，并且多个功率放大器单独设置电源接口和输入、输出接口，使得多路功率放大器的功放系统体积庞大。
通过多路放大器集成化应用设计，将多路功率放大器集中在一块电路板上，并且多路功率放大器的输入接口、输出接口分别集中在一个多插针的接头上。虽然可以有效的克服设置多个单路放大器所存在的问题，但是，由于将多个输出接口和输入接口分别集中连接，不方便测试单路功率放大器的性能，使得功率放大器的稳定性差，另外，多路放大器各输入输出端走线长短不一导致相位偏差较大。下面结合附图，对本发明作具体的说明。
图3为本发明实施例提供的相控阵高强聚焦超声设备的功放系统的结构示意图，所述功放系统包括：
设置在电路板上的N个功率放大器阵列，每个功率放大器阵列包括多个并排设置的功率放大器，所述功率放大器阵列中的多个功率放大器由同一个供电电源提供电能，所述功率放大器阵列中的功率放大器包括独立的输入接口和输出接口，同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，其中N为大于或等于2的自然数。
具体的，所述电路板为相控阵列高强聚焦超声设备的功放系统的电路板，在所述电路板上可以设置控制信号输入/输出接口、电源接口、功率输入接口、输出接口等。
其中，所述电源接口可以根据电路板上需要的供电电源的个数，设置相应的多针接插件。比如，在图3所示的当电路板上包括两个供电电源，可以通过4针或3针(共用地线针)的接插件输入外部电源。
所述控制信号输入/输出接口，可以接收用于控制功率放大器的开闭状态的TTL控制信号。
所述功率输入接口/输出接口可以为MCX连接件，所述MCX连接件的特性阻抗为50欧姆。通过设置MCX连接件，可以得连接器的连接与分离非常迅速，有效的缩短连接件的插拔时间。并且，MCX连接件在频率达到6GHz时仍然具有良好的电性能，因而可以有效的适应功率放大器的功率输入和功率输出的要求。另外，MCX连接件还可以适配包括半刚电缆和软电缆等多种电缆，连接可靠，寿命长。
所述功率放大器可以包括功率放大管和屏蔽罩，所述功率放大管设置在所述屏蔽罩内，并且，所述功率放大管的输入端和输出端分别设置在屏蔽罩的两端。所述功率放大器阵列中的多个功率放大器并排设置，可以理解为：对于同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的排列方式相同，比如图3中左边的功率放大器阵列中，输出接口均设置在功率放大器阵列的右侧，输入接口均设置在功率放大器阵列的左侧。
所述功率放大器阵列中的功率放大器包括独立的输入接口和输出接口，并且，同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，包括输入接口和输出接口的走线的长度以及走线的样式相同或近似相同，即控制在误差在预定的阈值范围内。这样，使得不同的功率放大器的输入端和输出端走线样式和走线长度，使得各个功率放大器的输出功率的相位的精确度更高，从而能够更为精确的控制聚焦区域的加热温度，对于医疗领域，特别是用于对患病的人体上直接作用的相控阵高强聚焦超声设备，该精度的提高的作用是极其重要和关键的。
具体的，本发明实施例中所述各个功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，可以包括各个功率放大器之间的接口走线平行，两个相邻的接口走线之间的距离固定；并且，同一功率放大器阵列中的所有的功率放大器的接口的走线长度相同。对于不同的功率放大器阵列中的功率放大器，优选的实施方式为接口走线的长度保持一致。
优选的实施方式中，所述电路板上的功率放大器阵列包括设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列，和/或设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列，其中，设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列的接口对称分布，和/或，设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列的接口对称分布。如图3所示，在电路板的左侧和右侧分别设置有两个功率放大器阵列，每个功率放大器阵列中的功率放大器并行分布，并且在每个功率放大器阵列中的接口走线为平行分布，接口走线的长度和样式均保持一致。
进一步优化的实施方式中，如图3所示，所述功放系统包括两个功率放大器组件和两个供电电源，每个供电电源单独为一个功率放大器阵列供电，每个功率放大器阵列中包括16路功率放大器。所述功率放大器的输出接口分布在所述功放大器的靠近对称中心线一侧的位置，即功率放大器阵列中的输出接口以竖直中心线对称分布，从而使得输出接口能够更为集中的连接输出电缆，为各个功率电缆的相位一致性提供更有效的保障。
另外，为了更有效的避免干扰对功率放大器的影响，所述功率放大器包括功率放大管以及设置在所述功率放大管表面的屏蔽罩，所述MCX连接件设置在所述屏蔽罩的外部。通过屏蔽罩对同一功率放大器阵列中的功率放大管隔离，可以减少功率放大管之间的信号干扰。
另外，作为本发明优选的实施方式，所述功放系统还包括用于监测每个功率放大器的工作状态的状态监测电路，所述状态监测电路包括多个与所述功率放大器对应的LED状态灯。所述状态监测电路可以用于监测所述功率放大器的输出功率的大小，通过控制器判断输出功率是否正常。另外，可以通过LED状态对监测的状态实时的显示，从而有利于用户及时的了解设备的工作状态。
由于功率放大器是整个设备的主要功耗部件之一，会产生大量的热量，温度的变化会影响功率放大器的功率输出，从而会进一步影响相控阵高强聚焦超声系统的稳定性。为了解决该问题，本发明所述功放系统还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述电路板上用于检测所述功率放大器的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率。具体的，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率具体为：
控制器根据预先拟合的功率放大器静态工作点随着温度的变化的曲线，以及功率放大器增益随着温度变化的拟合曲线，查找当前由温度传感器检测温度所对应的静态工作点及功率放大器增益，调整所述功率放大器的输出功率。比如，在检测到温度变化后，功率放大器所对应的增益减少，控制器则会增加所述功率放大器的输出功率。如果功率放大器所对应的增益增加，控制器则会降低所述功率放大器的输出功率。
所述控制器可以为单片机、FPGA、ARM芯片等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相控阵高强聚焦超声设备的功放系统，其特征在于，所述功放系统包括：
设置在电路板上的N个功率放大器阵列，每个功率放大器阵列包括多个并排设置的功率放大器，所述功率放大器阵列中的多个功率放大器由同一个供电电源提供电能，所述功率放大器阵列中的功率放大器包括独立的输入接口和输出接口，同一功率放大器阵列中的功率放大器的输入接口和输出接口的走线平行分布，其中N为大于或等于2的自然数。
2.根据权利要求1所述功放系统，其特征在于，所述电路板上的功率放大器阵列包括设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列，和/或设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列，其中，设置在左侧的功率放大器阵列和右侧的功率放大器阵列的接口对称分布，和/或，设置在上侧的功率放大器阵列和下侧的功率放大器阵列的接口对称分布。
3.根据权利要求2所述功放系统，其特征在于，所述功率放大器的输出接口分布在所述功放大器的靠近对称中心线一侧的位置。
4.根据权利要求2所述功放系统，其特征在于，所述功放系统包括两个功率放大器组件和两个供电电源，每个供电电源单独为一个功率放大器阵列供电，每个功率放大器阵列中包括16路功率放大器。
5.根据权利要求1-4任一项所述功放系统，其特征在于，所述输入端口和/或输出端口为MCX连接件，所述MCX连接件的特性阻抗为50欧姆。
6.根据权利要求5所述功放系统，其特征在于，所述功率放大器包括功率放大管以及设置在所述功率放大管表面的屏蔽罩，所述MCX连接件设置在所述屏蔽罩的外部。
7.根据权利要求1所述功放系统，其特征在于，所述功放系统还包括用于监测每个功率放大器的工作状态的状态监测电路，所述状态监测电路包括多个与所述功率放大器对应的LED状态灯。
8.根据权利要求1所述功放系统，其特征在于，所述功放系统还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述电路板上用于检测所述功率放大器的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率。
9.根据权利要求8所述功放系统，其特征在于，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度调整所述功放大器的输出功率具体为：
控制器根据预先拟合的功率放大器静态工作点随着温度的变化的曲线，以及功率放大器增益随着温度变化的拟合曲线，查找当前由温度传感器检测温度所对应的静态工作点及功率放大器增益，调整所述功率放大器的输出功率。
10.根据权利要求9所述功放系统，其特征在于，所述控制器为单片机。
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