CN110777073B - 一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，属于细胞电磁辐射实验技术领域。所述宽带电磁辐射装置包括：矩形同轴腔体，射频连接器，锥形过渡结构用以连接尺寸相差较大的矩形同轴腔体和射频连接器，内导体平板结构用以放置活体细胞培养皿，介质支撑结构用以支撑和固定内导体平板结构。本发明提供的宽带电磁辐射实验装置是利用矩形同轴腔体作为电磁波的载体，其产生的电磁场分布均匀，能够提供DC‑6GHz的宽带电磁辐射场，具有很好的宽带特性；实验装置便于拆卸和加工，实验空间较大利于细胞实验，提高了实验的可行性。

Description

一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置
技术领域
本发明涉及一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，属于细胞电磁辐射实验技术领域。
背景技术
近年来，随着移动通信的发展，对各种电磁器件的工作频率范围的要求逐渐加宽；同时不同频率的电磁波对人体的影响引起了极大关注。为了实现覆盖较宽的通信频率范围，研究DC-6GHz宽频带范围内电磁辐照对细胞的影响，实现宽带同轴电磁辐射实验装置的设计是非常有意义的。
为此，现有技术提供了硬件软件相结合的方式组成电磁辐照装置，DC-3GHz宽频电磁辐射腔，TEM小室、GTEM小室、矩形波导辐照系统、贴片天线等结构，但仍有很多问题需要解决，其中包括电磁环境模拟程度不高并不能完全模拟空间的电磁环境，频带范围较窄不能满足越来越宽的频带需求等。总之现有的细胞电磁辐射实验装置的适用性较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置。其利用电磁波在同轴以及过渡段中的传播来模拟真实的均匀的电磁场，并具有足够的实验空间放置细胞培养皿进行实验，以解决现有技术不能很好的模拟真实电磁场，造成对实验结果不准确的问题。
本发明提供一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，所述宽带电磁辐射装置包括矩形同轴腔体、锥形过渡结构和射频连接器，矩形同轴腔体相对的两面分别与锥形过渡结构的底面连接，锥形过渡结构的顶端与射频连接器的尾部连接，射频连接器的头部与信号源连接，矩形同轴腔体与锥形过渡结构之间连接的面为介质支撑结构，介质支撑结构上设有若干凹槽，凹槽位于两个介质支撑结构相对的面上，宽带电磁辐射装置内部设有平板结构，平板结构的长边的两端分别与射频连接器连接，平板结构的短边长度小于宽带电磁辐射装置内径。
进一步地，上述技术方案中，所述射频连接器的头部为N型接头。
进一步地，上述技术方案中，所述锥形过渡结构的阻值和射频连接器的阻值均为50欧姆。
进一步地，上述技术方案中，所述介质支撑结构的材质为介电常数小于2的材料。
进一步地，上述技术方案中，介电常数小于2的材料包括聚四氟乙烯(介电常数εr＝2.1)、罗杰斯板材(介电常数εr＝1.96)。
进一步地，上述技术方案中，所述矩形同轴腔体任一横切面所在的平面内，所述矩形同轴腔的内径与平板结构短板长度的比值为2.3。
进一步地，上述技术方案中，所述锥形过渡结构的顶角为11-16度。
发明有益效果
本发明的用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，通过采用矩形同轴和锥形过渡而组装成的腔体结构，实验空间大，便于拆卸、方便实验，进一步扩大了电磁辐射实验装置的频率适用范围和实验的方便性。
本发明的宽带电磁辐射装置，将内导体设置为一平板结构，可以更大地提供实验空间，更好地进行实验装置的匹配，增加了内部模拟电磁场的均匀性和稳定性。
本发明的宽带电磁辐射装置，用于模拟电磁场频率的范围是DC-6GHz，频带范围较宽，与现有技术所提供的频率范围相比，本发明的宽带电磁辐射实验装置能够适用覆盖目前所有频率范围内的电磁辐射实验，具有很强的适用性。
本发明的宽带电磁辐射装置的矩形同轴腔体与圆形腔体装置相比，在保证宽带频率下有较好的传输效果，便于加工且增大了实验空间，更便于未来进行细胞实验以及研究。
附图说明
图1为用于细胞实验的宽带电磁辐射实验装置的结构图。
图2为宽带电磁辐射实验装置中矩形同轴腔体横截面示意图。
图3为宽带电磁辐射实验装置中锥形过渡结构的示意图。
图4为宽带电磁辐射实验装置的回波损耗仿真结果图。
图5为宽带电磁辐射实验装置辐射电磁场图。
图中，1、矩形同轴腔体；2、锥形过渡结构；3、射频连接器；4、平板结构；5、介质支撑结构。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，结构如图1所示，包括矩形同轴腔体1，射频连接器3，矩形同轴腔体1相对的两面分别与锥形过渡结构2的底面连接，锥形过渡结构锥顶的微小位移会引起较大的反射，因此锥形斜率必须保持较高的精度，来保证较低的反射，当锥顶角在11°到16°之间时，效果最好。锥形过渡结构2的顶端与射频连接器3的尾部连接，射频连接器3接头为N型接头，射频连接器3的N型接头端与信号源连接，矩形同轴腔体1与锥形过渡结构2之间连接的面为介质支撑结构5，介质支撑结构5上设有若干凹槽6，凹槽6位于两个介质支撑结构5相对的面上，宽带电磁辐射装置内部设有平板结构4，平板结构4是宽带电磁辐射装置的内导体，矩形同轴腔体1是宽带电磁辐射装置的外导体，平板结构4的长边的两端分别与射频连接器3连接，平板结构4的短边长度小于宽带电磁辐射装置内径，矩形同轴腔体1的内径与平板结构4短边长度的比值为2.3最佳，平板结构4用以放置活体细胞培养皿，介质支撑结构5用以支撑和固定内导体平板结构。介质支撑结构5与矩形同轴腔体1内壁通过螺钉连接，介质支撑结构5中心处有可使平板结构4通过的缝隙，介质支撑结构5具有固定和支撑平板结构4的作用，并且具有支撑矩形同轴腔体1的作用。
宽带电磁辐射装置中各部件均可自由拆卸，使用时，将各部件分离，将细胞放置于平板结构上，按图1结构组装装置，即可。
如图1所示，矩形同轴腔体位于实验装置的中心部分，锥形过渡结构位于同轴腔体的两侧，进行过渡和匹配，射频连接器位于锥形过渡结构的末端。而内导体为一平板结构，放置在实验装置的内部中轴线处，两侧均匀对称，将活体细胞培养皿放置在内导体上可以进行电磁辐射实验，形成一个封闭的电磁辐射实验装置。其内部产生的电磁场分布均匀，能够很好地再现真实的电磁辐射场景，提高了对活体细胞实验结果的准确。图4为宽带电磁辐射实验装置的回波损耗仿真结果图，图5为宽带电磁辐射实验装置辐射电磁场图。由图4可知，在DC-6GHz的频率范围内，仿真结果的回波损耗均在-10dB以下，传输效果较好；从图5的辐射电场图可以看出实验装置内部的电磁场具有一定的均匀性。
为了保证信号能够从信号源通过射频连接器顺利进入矩形同轴腔体中，且减小实验装置端口处(即射频连接器3)的电磁波反射，本发明的电磁辐射装置采用了锥形过渡连接矩形同轴腔输出的射频连接器。为了使矩形同轴腔端口处的电磁波反射达到最小，要求锥形过渡结构的阻值和射频连接器的阻值相等，且均等于50欧姆。本发明的电磁辐射实验装置内部的介质支撑结构5采用聚四氟乙烯材料，介质支撑结构5上设有凹槽6，可减少电磁波的损耗，方便加工和固定支撑。选用N型接头的射频连接器，便于匹配和安装。
图2为宽带电磁辐射装置中矩形同轴腔体A-A’横截面的结构图。从图2的横截面可以看出，本发明的电磁辐射装置内部为厚度为3.3mm的平板结构，采用矩形和锥形过渡结构共同组成，可以更好地和两端的射频连接器连接，实现好的匹配。图2中m、n是矩形同轴腔体的长度和宽度，w是内导体的截面宽度，t是内导体的截面厚度，g、h是平板结构和矩形同轴腔体内壁之间的距离。
根据公式如下公式可计算出锥形过渡结构或射频连接器的阻值(Z0)：
Figure BDA0002269207020000051
Figure BDA0002269207020000052
公式中：m、n是矩形同轴腔体的长度和宽度，w是内导体的截面宽度，t是内导体的截面厚度，g、h是平板结构和矩形同轴腔体内壁之间的距离，C是传输线内外导体间的角电容，ε0是内外导体介质介电常数。
当锥形过渡结构和射频连接器的阻值均等于50欧姆时，矩形同轴腔体断口处的电磁波反射达到最小。
图3为宽带电磁辐射装置中过渡段的结构图。为了更好地实现阻抗匹配，采用渐变结构(即锥形过渡结构)，且在矩形同轴腔体任一横切面所在的平面内，外导体(矩形同轴腔体)与内导体(平板结构)的直径比值优选为2.3。经CST仿真软件测算，当电磁波频率在DC-6GHz范围内，同轴腔体两端端口的反射系数小于-10dB。
本实例的宽带电磁辐射实验装置是利用矩形同轴结构的腔体作为电磁波的载体，其产生的电磁场分布均匀，能够很好地再现真实的电磁辐射场景，提高了对活体细胞实验结果的准确。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于细胞实验的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述宽带电磁辐射装置包括矩形同轴腔体(1)、锥形过渡结构(2)和射频连接器(3)，矩形同轴腔体(1)相对的两面分别与锥形过渡结构(2)的底面连接，锥形过渡结构(2)的顶端与射频连接器(3)的尾部连接，射频连接器(3)的头部与信号源连接，矩形同轴腔体(1)与锥形过渡结构(2)之间连接的面为介质支撑结构(5)，介质支撑结构(5)上设有若干凹槽(6)，凹槽(6)位于两个介质支撑结构(5)相对的面上，宽带电磁辐射装置内部设有平板结构(4)，平板结构(4)的长边的两端分别与射频连接器(3)连接，平板结构(4)的短边长度小于宽带电磁辐射装置内径；细胞培养皿放置在平板结构(4)上，所述矩形同轴腔体(1)的内径与平板结构(4)短边长度的比值为2.3。
2.根据权利要求1所述的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述射频连接器(3)的头部为N型接头。
3.根据权利要求1所述的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述锥形过渡结构(2)的阻值和射频连接器(3)的阻值均为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述介质支撑结构(5)采用介电常数小于2的材料。
5.根据权利要求4所述的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述介电常数小于2的材料包括聚四氟乙烯、罗杰斯板材。
6.根据权利要求1所述的宽带电磁辐射装置，其特征在于，所述锥形过渡结构(2)的顶角为11-16度。
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