CN110099472A - 用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构，其包括矩形谐振腔体(10)，矩形谐振腔体(10)一端面上连接有天线套筒(20)，天线套筒(20)与矩形谐振腔体(10)内部连通；天线套筒(20)内还设置有天线芯(30)，天线芯(30)下端向矩形谐振腔体(10)内延伸一定长度，天线芯(30)与天线套筒(20)之间填充有用于固定的透波材料；天线芯(30)用于将微波向矩形谐振腔体(10)内发射；矩形谐振腔体(10)内空间的宽边长a、窄边长b和长度边长l满足预定关系，以使微波实现TE101谐振模式。该结构有利于对生物组织的均匀加热，且相比现有技术整体结构简单，便于生产制造。

Description

用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构

技术领域

本发明属于生物组织复温复苏技术领域，特别涉及一种用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构。

背景技术

目前世界上对于生物组织的冷冻已经非常成熟，对于单细胞、多细胞、生物组织、生物器官等冷冻有很好的解决方案，实现了对各种生物组织的低温保存。但在对低温保存的生物组织进行复温复苏的技术却并不成熟，目前复温技术有37℃水浴复温、空气复温、-20℃冰复温、微波复温、激光复温、纳米复温等。

而在现有微波复温技术中，对生物组织复温复苏采用的是2450MHz的微波频段，其穿透深度较小，对于较大的生物组织无法得到较好的加热复温效果。为了达到更大的穿透深度，实验表明采用430～440MHz频段的微波较佳。但采用430～440MHz频段的微波，由于波长较长，发射以及发散较为复杂，在复苏复温应用中采用何种结构来实现该频段微波的发射辐射，一直没有实际的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提出一种用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构，用于实现对生物组织的均匀加热，进而使其复温复苏。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构，其包括矩形谐振腔体(10)，所述矩形谐振腔体(10)一端面上竖直连接有天线套筒(20)，所述天线套筒(20)与所述矩形谐振腔体(10)内部连通；

所述天线套筒(20)内还同轴设置有天线芯(30)，所述天线芯(30)下端向矩形谐振腔体(10)内延伸一定长度，所述天线芯(30)与天线套筒(20)之间填充有用于固定的透波材料；

其中，

所述天线芯(30)用于与微波馈入线相连，以将微波向矩形谐振腔体(10)内发射；所述矩形谐振腔体(10)内空间的宽边长a、窄边长b和长度边长l满足如下关系式，以使所述微波实现TE101谐振模式，

可选地，所述宽边长大于等于340.91mm，小于等于697.67mm；所述长度边长大于等于196.82mm，小于等于805.60mm。

可选地，所述宽边长为500mm，所述长度边长为480mm。

可选地，所述天线套筒(20)所连接的端面为矩形谐振腔体(10)宽边和长度边所在的端面。

可选地，所述天线套筒(20)为内半径45mm，内空间高102mm的圆柱状套筒；所述天线套筒(20)一端开口，另一端封闭并设有中心馈线孔(21)；

所述端面上，与矩形谐振腔体(10)内空间宽边距离140mm且与两侧的内空间长边等距处，设有连通孔(11)，所述天线套筒的开口端与所述连通孔(11)配合连接，以使所述天线套筒(20)与所述矩形谐振腔体(10)内部连通。

可选地，所述天线套筒的开口端与所述连通孔(11)通过法兰组件配合连接。

可选地，所述中心馈线孔(21)的半径为5mm，所述天线芯(30)的上端延伸至所述中心馈线孔(21)内。

可选地，所述天线芯(30)的外观结构从上至下由上圆台体(31)、过渡圆台体(32)和下圆柱体(33)构成。

可选地，所述上圆台体(31)的上底半径为0.45mm，下底半径为0.5mm，高度为6mm；所述过渡圆台体(32)的上底半径为0.5mm，下底半径为25mm，高度为60mm；所述下圆柱体(33)的底面半径为25mm，高度为70mm。

可选地，所述天线芯(30)的材质为黄铜。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

(1)不同于本领域现有技术中通过多根水柱体以及多根销钉解决反射波及谐振频率的技术路线，本发明通过具体的结构设计实现微波TE101谐振模式，使腔体内辐射均匀，有利于对生物组织的均匀加热，且相比现有技术整体结构简单，便于生产制造。

(2)在复温复苏生物组织技术领域，本申请提出了用于实现430～440MHz频段的微波发射辐射的具体结构，进而为解决微波生物组织中穿透问题以及生物组织内外部升温均匀性问题提供了有力支持。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是根据本发明实施例的微波功率辐射结构的结构示意图；

图2是图1所示实施例中矩形谐振腔体内空间各边方位的示意说明图；

图3a是根据本发明实施例中天线套筒的结构示意图；

图3b是根据本发明实施例中天线套筒的另一视角的结构示意图；

图4是根据本发明实施例中天线芯的结构正视图。

图中，10-矩形谐振腔体；11-连通孔；20-天线套筒；21-中心馈线孔；30-天线芯；31-上圆台体；32-过渡圆台体；33-下圆柱体。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

现有的微波复温技术中，微波频率为2450MHz，采用TE103模式的单模微波，一般采用标准矩形波导参数，波导型号国内BJ22(国际R22)宽边a＝109.2mm、窄边b＝54.6mm，或者采用波导型号国内BJ26(国际R26)宽边a＝86.4mm、窄边b＝43.2mm。微波发射头采用的是微波磁控管自带的发射天线。矩形波导需要多根水柱以及多根销钉来实现反射波的吸收以及调整微波频率。采用2450MHz的微波其穿透深度较小，对于较大的生物组织无法得到均匀加热效果。

为了达到更大的穿透深度，实验表明采用430-440MHz频段的微波频段较佳。而微波作为电磁波具有波粒二象性，会自我抵消或者自我叠加而产生驻波。频率范围430-440MHz的微波，波长较长，属于分米波，对于这种级别的波，它的发射天线与谐振腔较为难以设计，至于他们之间的组合更是难上加难。

而为较好达到生物组织快速均匀的复温复苏，需使微波在谐振腔内辐射比较均匀。而TE101模式可实现腔体内微波均匀辐射，且其单模工作频率范围较宽，衰减小。

为此，为实现微波的功率发射以及实现微波均匀辐射的TE101模式，本发明提出了以下用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构，

如图1所示，该实施例中的微波功率发射辐射结构包括，矩形谐振腔体10，矩形谐振腔体10一端面上竖直连接有天线套筒20，天线套筒20与矩形谐振腔体10内部连通；

天线套筒20内还同轴设置有天线芯30，天线芯30下端向矩形谐振腔体10内延伸一定长度，天线芯30与天线套筒20之间填充有用于固定的透波材料(图中未示出)；

该微波功率发射辐射结构中，天线芯30用于与微波馈入线相连，以将频率微波向矩形谐振腔体10内发射；如图1和图2所示，矩形谐振腔体10内空间的宽边长a、窄边长b和长度边长l满足如下关系式(1)，以使微波实现TE101谐振模式，

且a＝2b (1)

不同于本领域现有技术中通过多根水柱体以及多根销钉解决反射波及谐振频率的技术路线，本发明通过具体的结构设计实现微波TE101谐振模式，使腔体内辐射均匀，有利于对生物组织的均匀加热，且相比现有技术整体结构简单，便于生产制造。

为了便于进一步理解本发明，下面对矩形谐振腔体的内空间尺寸关系式(1)的推导进行简要介绍。

(一)矩形波导谐振腔(矩形谐振腔体)内空间宽边长a的推导

矩形波导谐振腔中的电场和磁场分布与矩形波导是对应的，存在TE型振荡模式和TH型振荡模式。对于TE模式来说，Ez＝0(Ez表示在z轴方向的电场强度，Ez＝0指电场在z轴方向无分量)，可以按照矩形波导现成结果，基于麦克斯韦方程，将Hz(Hz表示在z轴方向的磁场强度)看成是传输线上沿正反两个方向传输的行波所合成的驻波，将矩形波导中沿+Z和-Z方向传输的TE波的Hz分量叠加，可得Hz的表达式(2)如下：

在波导宽边处有边界条件：

进而可以得到Hz表达式中各个系数为：

而当电磁波在谐振腔中总的相移是π的整数倍时，可发生谐振。以矩形腔中填充的介质为空气为例，由矩形波导谐振腔的边界条件(3)以及表达式(4)可得：

其中，λc为矩形波导的截止波长，其表达式为：

联立表达式(5)和(6)可得矩形谐振腔中谐振波长与腔体尺寸之间的关系为：

对于某一尺寸(a、b和l一定)的矩形谐振腔，不同谐振模式(m、n、和q组合不同)对应有不同的谐振频率及谐振波长，即对应有不同的TEmnq谐振场下或者是THmnq谐振场下电场和磁场的分布。矩形波导中的最低模式是TE10模，其截止波长最长λc＝2a，因此，就有可能在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在TE10模。TE10指的是沿传播方向有磁场分量而没有电场分量的标准矩形波导管中的电磁波，TE10中的“1”指的是电磁场在矩形波导管宽边方向上有半波变化，其中的“0”指的是在窄边上均匀分布。而TE10模形成的纵向单个全驻波模式，为矩形谐振腔谐振基模或TE101模。

在矩形波导中只能单模TE10模，所以在矩形谐振腔内谐振的主模也是TE10q模中的一种。为了实现单模谐振，相应的矩形波导必须设计成单模波导，TE10主模单模传输的条件为：

(二)、矩形波导谐振腔内空间长度边长l的推导

利用表达式(7)可得在矩形谐振腔中TE10q系列模的谐振条件为：

由表达式(8)与(9)联立可得：

根据表达式(10)可得TE10q谐振模式可以谐振的条件为：

根据表达式(11)可以得到，在TE10q谐振模的系列中，只有TE101模才可能存在单模谐振，并且可以确定的是，矩形波导谐振腔中谐振TE101模的必要条件为：

在矩形波导匹配负载中，常常只用到TE101谐振模。在矩形波导中TE10传输模中有λc＝2a的限制，由表达式(4)、(5)及(12)可知矩形谐振腔中发生谐振、且只有TE101模一个谐振模的条件为：

在矩形谐振腔中TE101模谐振时横向和纵向均是驻波，不存在行波。

(三)、矩形波导谐振腔窄边长b的推导

在矩形波导中，为了保证频带宽度下达到最大通过功率的波导，a＝2b，它也称为标准波导。

至此矩形谐振腔体的内空间尺寸关系式(1)的推导结束。

而在生物组织复温复苏中，为对较大(一般指，边长超过30mm的长方体状组织，或直径超过30mm的球状组织)的组织达到好的穿透效果，实验表明，需采用430-440MHz频段的微波。

在上述实施例基础上，为实现430-440MHz频段的微波功率的均匀辐射，矩形谐振腔体内空间的宽边长a、窄边长b及长度边长l需满足一定取值范围，为此，在本申请的一实施例中宽边长a、窄边长b及长度边长l的取值范围具体如下：

340.91mm≤a≤697.67mm，

170.46mm≤b≤348.84mm，

196.82mm≤l≤805.60mm。

为了便于理解本发明，下面对上述取值范围的计算过程做简要说明：

根据微波波长公式λ＝c/f计算430-440MHz频段微波的波长范围；将得到的波长范围带入表达式(8)，计算确定宽边长a的取值范围，进而根据a＝2b，确定窄边长b的取值范围；将宽边长a的取值范围带入表达式(12)，计算确定长度边长l的取值范围。

而进一步的，本申请根据生物组织的微波频率筛选试验，发现433MHz与434MHz对于生物组织的复温复苏效果更佳。以此实验结果为基础，根据体积公式V＝a×b×l，与表达式(13)进行最小体积数值筛选(此时取微波频率为433Mhz)，并从生产方便角度进行优选，最终确定矩形谐振腔体的内空间的尺寸为：

宽边长a为500mm，窄边长b为250mm，长度边长l为480mm；

在该优选的实施例中，实际生产中基于该矩形谐振腔体的内空间的尺寸，可选用厚为1.5mm的金属板材进行矩形谐振腔体制作。

微波复温技术中，为实现微波功率的发射，需配备微波功率发射天线，而现有市场上的微波功率天线不能满足实际使用的需要。为此，本发明中根据微波的特性，使用HFSS软件进行模拟，并根据实际加工能力，设计出了微波功率发射天线的具体尺寸结构，该天线包括天线套筒和天线芯。

具体的，在上述优选的实施例中，如图1所示，天线套筒20竖直连接在矩形谐振腔体10一端面上，其与矩形谐振腔体10内部连通；天线套筒20所连接的端面为矩形谐振腔体10宽边和长度边所在的端面。

如图3a、图3b所示，天线套筒20为内半径45mm，内空间高102mm的圆柱状套筒，天线套筒20一端开口，另一端封闭并设有中心馈线孔21。

需要说明的是，中心馈线孔21用于穿设微波馈入线，其形状大小基于线材规格确定，例如其为半径5mm的圆孔。在实际生产中，天线套筒20的壁厚可选为2mm，而不难理解天线套筒20的材质应为金属。

还需说明的是，为实现天线套筒20与矩形谐振腔体10内部连通，如图1所示，在矩形谐振腔体10宽边和长度边所在的端面上，与矩形谐振腔体内空间左侧宽边距离140mm且与两侧的内空间长度边等距处，设有连通孔11，天线套筒20的开口端与该连通孔11配合连接，以实现天线套筒20与矩形谐振腔体10内部连通。

具体的，该连通孔11的大小与天线套筒开口端的尺寸相对应，这里为45mm；而为方便实现两者配合连接，天线套筒的开口端与连通孔通过法兰组件配合连接。

如图1所示，天线套筒20内同轴设置有天线芯30，天线芯30下端向矩形谐振腔体10内延伸一定长度，而天线芯(30)的上端延伸至中心馈线孔(21)内。天线芯30与天线套筒20之间填充有用于固定的透波材料，以保证实现天线芯30与天线套筒20之间的位置关系。

如图1和图4所示，天线芯30为一旋转体，其的外观结构从上至下由圆台体31、过渡圆台体32和下圆柱体33构成。天线芯30的材质也为金属，例如其材质采用黄铜。如图4所示，天线芯30的具体尺寸为，

下圆柱体33的高度为70mm，底面半径为25mm(图中未示出)；过渡圆台体32的高度为60mm，下底半径与下圆柱体33的底面半径相等为25mm(图中未示出)，上底半径为0.5mm(图中未示出)；上圆台体31的上底半径为0.45mm、下底半径与过渡圆台体32的上底半径相等为0.5mm，高度为6mm(图中未示出)。

本发明在复温复苏生物组织技术领域，提出了用于实现433MHz频段的微波发射辐射及实现TE101谐振模式的具体发射辐射结构，为解决微波生物组织中穿透问题以及生物组织内外部升温均匀性问题提供了有力支持。

此外，根据实验表明，当馈入的微波频率为423-443Mhz，基于本发明的优选实施例的结构，对结构尺寸对应进行调整，使天线芯的下圆柱体的高最多不超过250mm，天线芯和天线套筒其他尺寸数值改变不超过原有数值50％，能近似实现本申请该实施例中对生物组织的复温复苏效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于复温复苏生物组织的微波功率发射辐射结构，其特征在于，包括矩形谐振腔体(10)，所述矩形谐振腔体(10)一端面上竖直连接有天线套筒(20)，所述天线套筒(20)与所述矩形谐振腔体(10)内部连通；

所述天线套筒(20)内还同轴设置有天线芯(30)，所述天线芯(30)下端向矩形谐振腔体(10)内延伸一定长度，所述天线芯(30)与天线套筒(20)之间填充有用于固定的透波材料；

其中，

所述天线芯(30)用于与微波馈入线相连，以将微波向矩形谐振腔体(10)内发射；所述矩形谐振腔体(10)内空间的宽边长a、窄边长b和长度边长l满足如下关系式，以使所述微波实现TE101谐振模式，

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述宽边长大于等于340.91mm，小于等于697.67mm；所述长度边长大于等于196.82mm，小于等于805.60mm。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述宽边长为500mm，所述长度边长为480mm。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述天线套筒(20)所连接的端面为矩形谐振腔体(10)宽边和长度边所在的端面。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述天线套筒(20)为内半径45mm，内空间高102mm的圆柱状套筒；所述天线套筒(20)一端开口，另一端封闭并设有中心馈线孔(21)；

所述端面上，与矩形谐振腔体(10)内空间宽边距离140mm且与两侧的内空间长边等距处，设有连通孔(11)，所述天线套筒的开口端与所述连通孔(11)配合连接，以使所述天线套筒(20)与所述矩形谐振腔体(10)内部连通。

6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述天线套筒的开口端与所述连通孔(11)通过法兰组件配合连接。

7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述中心馈线孔(21)的半径为5mm，所述天线芯(30)的上端延伸至所述中心馈线孔(21)内。

8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，所述天线芯(30)的外观结构从上至下由上圆台体(31)、过渡圆台体(32)和下圆柱体(33)构成。

9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述上圆台体(31)的上底半径为0.45mm，下底半径为0.5mm，高度为6mm；所述过渡圆台体(32)的上底半径为0.5mm，下底半径为25mm，高度为60mm；所述下圆柱体(33)的底面半径为25mm，高度为70mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的结构，其特征在于，所述天线芯(30)的材质为黄铜。