CN109011134A

CN109011134A - 超短波电疗仪及自动调谐匹配方法

Info

Publication number: CN109011134A
Application number: CN201711482696.6A
Authority: CN
Inventors: 许德年; 张庆峰; 张淏; 舒友芳
Original assignee: BEIJING BENAO HIGH TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING BENAO HIGH TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明公开了一种超短波电疗仪及其自动调谐匹配方法，其调谐匹配方法：通过超短波电疗仪实时检测负载输入等效阻抗，控制第一步进电机带动可变电容C1转动，实现负载等效输入阻抗的实部与信号源输出阻抗相等；控制第二步进电机带动电容C1转动，实现负载等效阻抗的虚部与信号源输出阻抗的虚部相等，符号相反，实现负载阻抗与信号源输出阻抗共轭匹配，调谐完成。本发明的超短波电疗仪及自动调谐匹配方法，频率稳定，实现了精准匹配，共轭匹配的效率高。

Description

超短波电疗仪及自动调谐匹配方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种超短波电疗仪及自动调谐匹配方法。

背景技术

超短波电疗机广泛在医院的康复理疗科、外科、内科等科室应用。其治疗方法是物理疗法的一种。作用机理是超短波电磁能作用于人体组织，通过热作用和非热作用产生明显的消炎、消肿、止痛、解痉、改善神经传导、加速神经生长、加强血液循环、促进创伤愈合和增加网状内皮系统机能等治疗作用。

一台高质量的超短波电疗机，一是要高效稳定的产生超高频电磁波，二是必须进行精准调谐，使信源输出回路与人体回路匹配，电磁波高效的传输到人体。目前市场上销售的国产超短波电疗机多使用电子管元器件，体积大、寿命短，频率稳定性差，货源紧张。调谐方式是一个自由度调谐，无法达到共轭匹配效率低的优点。由此可见，现有国产的超短波电疗机在电路结构及调谐匹配方法上有待创新改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种超短波电疗仪及自动调谐匹配方法，频率稳定，共轭匹配，效率高。

一种超短波电疗仪的自动调谐匹配方法：通过超短波电疗仪实时检测负载输入等效阻抗，控制第一步进电机带动可变电容C1转动，实现负载等效输入阻抗的实部与信号源输出阻抗相等；控制第二步进电机带动电容C1转动，实现负载等效阻抗的虚部与信号源输出阻抗的虚部相等，符号相反，实现负载阻抗与信号源输出阻抗共轭匹配，调谐完成。

超短波电疗仪，它包括信号源系统、测控系统和输出系统，

所述信号源系统包括晶振单元、选通单元、电压放大单元、功率放大单元、匹配网络单元和采样单元；

所述晶振单元，由集成电路构成晶体稳频的振荡器，产生超短波的信号源信号；

所述选通单元，由集成电路构成的门电路，将晶振单元产生信号源信号输送至电压放大单元，由状态控制信号控制选通门电路的开合，当选通门电路“合”时，超短波信号通过选通单元传至电压放大单元，反之，当选通门电路“开”时，阻止超短波信号通过；

所述电压放大单元，由场效应管构成的两级选频放大器，对信号源信号进行放大，并作为功率放大单元的激励信号；

所述功率放大单元，由功率场效应管构成的功率放大器，将电激励信号的功率放大后输出至采样单元和测控系统；

所述采样单元，由线绕式定向耦合器构成，对功率放大单元输出的信号进行采样，同时区分传输信号中的入射波和反射波，并分别送至测控系统进行分析计算和匹配网络单元进行共轭匹配；

所述匹配网络单元，包括具有调谐功能的可变电容、步进电机和控制驱动电路，在测控系统的控制下将负载信号与信号源信号共轭匹配；

所述测控系统包括电脑主机、显示屏、键盘、电源和幅相比较器；

所述电脑主机连接显示屏、键盘、电源和幅相比较器，电脑主机与显示屏、键盘、电源连接完成信息的交互与控制；其与采样单元、幅相比较器连接，实时测算负载等效输入阻抗，监控匹配网络进行调谐匹配；

所述幅相比较器，对采样单元信号进行幅相比较；

所述输出系统，包括输出线和电极板，所述输出线输送电磁能至电极板。

进一步的，所述晶振单元产生频率为40.68MHz的电磁波。

进一步的，所述电脑主机为STM32F103VET6单片机。

进一步的，所述幅相比较器为AD8302功率测量芯片，其数量为两个。

进一步的，所述传感器包括电压传感器、电流传感器和温度传感器。

本发明的超短波电疗仪及自动调谐匹配方法，频率稳定，共轭匹配，效率高。

附图说明

图1为本发明的超短波电疗仪结构示意图；

图2为本发明的超短波电疗仪的测控系统原理方框示意图；

图3为本发明的超短波电疗仪的信号源系统的电路原理示意图；

图4为本发明的超短波电疗仪的测控系统的电路原理示意图；

图5为本发明的超短波电疗仪的匹配网络单元的原理方框示意图；

图6为本发明的超短波电疗仪的输出系统的结构示意图；

图中：1.输出线；2.电极板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。

一种超短波电疗仪自动调谐匹配方法：通过超短波电疗机实时检测负载输入等效阻抗，控制第一步进电机旋转可变电容C1，调整等效阻抗的实部为40Ω～60Ω(信号源输出阻抗为50Ω)，第一步进电机停止转动；控制第二步进电机旋转可变电容C2，调整等效阻抗的虚部为-5Ω～5Ω(信号源输出阻抗虚部为0)，第二步进电机停止转动，实现负载与信号源共轭匹配。

例如：通过超短波电疗仪实时检测负载信号等效阻抗和输出参数，控制第一步进电机旋转可变电容C1的容值，调整等效阻抗的虚部数值相等，均为0、符号相反，信号源输出阻抗的虚部为0欧姆，第一步进电机停止转动，控制第二步进电机旋转可变电容C2，调整等效输出阻抗的实部为50欧姆，信号源输出阻抗的实部为50欧姆，第二步进电机停止转动，实现信号源输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，调谐完成。

超短波电疗仪，它包括信号源系统、测控系统和输出系统。

信号源系统:产生40.68MHz的超短波电磁波。

现在技术存在的问题：元器件落后，仍用电真空管，效率低，使用寿命短，货源紧张，频率稳定性差。本发明信号源全部采用半导体元器件以提高效率，延长使用寿命。采用晶体稳频振荡器，频率稳定度可达10^-4。

如图6所示，输出系统：包括输出线1和电极板2，输出线连接主机与电极板。电极板与人体通过电容耦合，将电磁波传入人体。对于40.68MHz的电磁波，输出线长度不超过100cm,为方便使用，将输出线前80cm用平行线，后40cm分开接电极板。利用平行线特性阻抗均匀不变、辐射损失小的特点，将输出线延长至120cm，其结构如6所示。

为提高EMC性能，本机信号源、匹配网络单元、电源分别具备屏蔽功能，机箱采用金属机箱。

信号源系统包括晶振单元、选通单元、电压放大单元、功率放大单元、匹配单元、采样单元共六个单元组成。详见附图1。

晶振单元：由集成电路构成振荡器，用40.68MHz晶振电器进行稳频。产生频率40.68MHz的电磁波信号，频率稳定度可达10^-4。

选通单元：由集成电路构成的门电路，控制晶振单元产生信号是否输出，当选通门电路“合”时，超短波信号通过并传至电压放大单元。反之，当选通门电路“开”时，阻止超短波信号通过；

电压放大单元：由场效应对管IRF510构成两级选频放大器，对晶振单元输入的40.68MHz的信号进行放大，输出功率5W、频率40.68MHz的正弦信号，作为未级功放的激励信号。

功放单元：由中功率场效应管ARF446、447构成推挽功率放大器，将40.68MHz的信号放到50W功率的正弦波波输出，效率≥50％。

本发明采用定向耦合采样电路，将入射波和反射波分开送至测控系统测算。可实时测量反射系数、输入阻抗，驻波比，监控匹配网络进行调谐匹配。

采样单元：采样单元由线绕式定向耦合器构成，采样单元可将传输线中的入射波和反射波分别开来，送测控单元进行分析计算，实时测得负载等效输入阻抗Z_in和驻波系数等传输参数。

匹配网络单元：包括具有调谐功能的可变电容、步进电机和控制驱动电路，在测控系统的控制下进行调谐匹配；

现有技术存在问题：匹配网络不够完善，只有一个可变电容可以调节，无法实现共轭匹配。本发明采用串并两个支路配合调节，为共轭匹配提供了条件，实现负载与信号源阻抗之间的共轭匹配。

为了使负载与信号源匹配，在功放单元与输出单元之间插入匹配网络单元。匹配网络单元构成如图5所示，可变电容C1、C2为空气可变电容器，分别由第一步进电机、第二代步进电机带动旋转，改变其电抗值。控制第一步进电机改变C1的容值，用于将负载输入等效阻抗Z_in的实部R_in调整为40Ω-60Ω，第一步进电机停止转动，控制第二步进电机改变C2的容值，用于将负载输入阻抗的虚部X_in调整为-5Ω-5Ω，第二步进电机停止转动；此时，信号源输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，经测试，调谐完成后，驻波系数≤1.2。

测控系统的作用：一是与网络配合完成调谐匹配，二是与键控配合完成电疗机状态控制与转换，三是与液晶显示屏配合显示治疗参数，四是与电压、电源和温度传感器配合实现过压、过流和过温保护。

测控系统原理框图如图2所示，电脑主机的CPU处理器型号为STM32F103VET6单片机，幅相比较器由2片型号为AD8302的比较器构成，完成以下功能：①实时测算负载等效输入阻抗Z_in，并监控匹配单元进行调谐匹配；②启动、停止，治疗时间、功率大小和工作模式调整及键盘信息接收与控制；③电压、电流、温度传感器信息的接收与控制。④治疗时间、输出功率、工作模式等治疗参数的实时显示。

测控单元的上述功能中，调谐匹配功能是本发明最主要特点，以下仅就调谐匹配功能进行说明。

1.反射系数Γ的测算：

采样综合电路将采样入射信号RF-FOR-P(入射波)、RF-REV-P(反射波)分为两组输出。第一组REV-P、FOR-P-90(FOR-P-0移相90°)；第二组FOR-P-0、REV-P；第三组为入射波和反射波的模FOR-M、REV-M。其中第一组和第二组信号分别送入幅相比较器1和幅相比较器2进行幅相比较，经电脑主机计算后，得出360度范围内反射系数相角θ，第二组信号为入射电压和反射电压的模，送入电脑主机进行计算得出反射系数的模|Γ|。

二者综合得到复数反射系数Γ＝|Γ|e^jθ。

2.等效输入阻抗Z_in的测算：

依据公式

即可实时测出等效输入阻抗。

式中Z₀为信号源输出阻抗，Z₀＝R₀+jX₀(该电疗仪X₀＝0)，R_in为Z_in实部，X_in为Z_in虚部，R₀为功放输出阻抗的电阻值。

3.控制调谐

首先启动第一步进电机代动电容C1旋转，当等效输入阻抗的虚当等效阻抗实部R_in与功放输出阻抗R₀相等时，电机停转并保持；然后启动第二步进电机带动电容C2旋转，部X_in＝-X₀时(改机X_in＝-X₀＝0)，第二步进电机停止旋转，从而实现共轭匹配，经试验，调谐完成后驻波系数≤1.2。

匹配网络原理图如图所示。

共轭匹配的条件一是负载等效输入阻抗的实部与信源输出阻抗的实部相等。只有这样负载才可能从信号源获取最大功率。二是等效输入阻抗的虚部与信源输出阻抗的虚部数值相等，符号相反，(若信源输出阻抗虚部为0，则等效输入阻抗虚部也应为0)，只有这样才能不产生二次反射。所以共轭匹配意味着在匹配网络中必须至少有两个自由度可进行调节，这两个自由度必须有两个电抗元件提供。

匹配网络电容的连接形式取决与输入阻抗实部的大小。若输入阻抗实部大于信源输出阻抗的实部，采用先并连后串连的形式，反之则应采用先串连后并连的形式。实测电疗机负载输入阻抗小于信号源阻抗50Ω，所以采用先串连后并连的形式。为适应电疗机因人或人体部位不同而变化，网络中C1、C2用空气可变电容。每个电容最大容量为180PF，最小容量为8PF。

本发明的有益效果：

1.全固态化的信号源，稳定性、可靠性，使用寿命显著提高，体积小，重量轻，使用方便，可进入家庭。

2.晶振的采用，频率稳定度得到极大的提高。

4.共轭匹配，驻波比系数≤1.2，效率高。

5.输出线长度由原来不超过100cm增加为120cm，使用方便。

6.全封闭结构，工作稳定，电磁兼容性好。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种超短波电疗仪自动调谐匹配方法，其特征在于：通过超短波电疗仪实时检测负载输入等效阻抗，控制第一步进电机带动可变电容C1转动，实现负载等效输入阻抗的实部与信号源输出阻抗相等；控制第二步进电机带动电容C1转动，实现负载等效阻抗的虚部与信号源输出阻抗的虚部相等，符号相反，实现负载阻抗与信号源输出阻抗共轭匹配，调谐完成。

2.超短波电疗仪，其特征在于：它包括信号源系统、测控系统和输出系统，

所述晶振单元，由集成电路构成晶体稳频的振荡器，产生超短波信号；

所述功率放大单元，由功率场效应管构成的功率放大器，将电激励信号的功率放大并输出至采样单元和测控系统；

所述幅相比较器，对采样单元信号进行幅相比较；

3.根据权利要求2所述的超短波电疗仪，其特征在于：所述晶振单元产生频率为40.68MHz的电磁波。

4.根据权利要求2所述的超短波电疗仪，其特征在于：所述电脑主机为STM32F103VET6单片机。

5.根据权利要求2所述的超短波电疗仪，其特征在于：所述幅相比较器为AD8302功率测量芯片，其数量为两个。

6.根据权利要求2所述的超短波电疗仪，其特征在于：所述传感器包括电压传感器、电流传感器和温度传感器。