KR20210003712A - 마이크로파 증폭기 - Google Patents

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크리스토퍼 폴 핸콕
크리스토퍼 더프
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크리오 메디컬 리미티드
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Abstract

저전력 마이크로파 주파수 신호를 보다 효율적으로 증폭시키는 부하 네트워크를 갖는 마이크로파 증폭기. 상기 증폭기는 트랜지스터. 및 트랜지스터 출력에 결합되고 트랜지스터 전류 소스 평면에서 증폭된 마이크로파 신호의 파형을 형성하기 위한 부하 네트워크를 포함한다. 상기 부하 네트워크는 기본 주파수에서 임피던스 정합을 제공하는 기본 정합 네트워크; 상기 트랜지스터 출력과 상기 기본 정합 네트워크 사이에 배치된 제2 고조파 주파수에 대한 반파 전송 라인; 제3 고조파에서 개방 회로 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브 및 5-사분파 스터브; 및 상기 제2 고조파 주파수에서 단락 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된, 상기 제2 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브 및 상기 기본 주파수에 대한 사분파 스터브를 포함한다.

Description

마이크로파 증폭기
본 발명은 마이크로파 증폭기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마이크로파 에너지로 생물학적 조직을 처리하기 위한 전기 수술 디바이스와 함께 사용하기 위한 마이크로파 증폭기 구성에 관한 것이다.
전기 수술을 통해 생물학적 조직을 치료하는데 마이크로파 에너지를 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 기본적으로 처리될 생물학적 조직과 접촉하는 어플리케이터 구조물(applicator structure)과 마이크로파 소스 사이의 손실의 영향으로 인해, 마이크로파 에너지를 정밀하게 제어된 방식으로 전달하는 것은 여전히 어려운 과제이다. 이러한 효과는 내시경과 같은 수술용 관찰 디바이스를 사용하는 최소 침습적 시술에서 특히 문제 시 될 수 있다. 수술용 관찰 디바이스는 일반적으로 기기 코드가 연장되는 몸체를 포함한다. 어플리케이터 구조물은 기기 코드의 길이를 통해 연장되는 루멘(lumen)인 기기 채널을 통해 환자의 신체에 삽입된다. 따라서 어플리케이터에 마이크로파 에너지를 전달하려면 기기 코드를 통해 이 에너지를 전달할 것을 요구한다.
생물학적 조직을 치료할 수 있으려면, 많은 양의 에너지가 어플리케이터에 의해 전달될 필요가 있다. 이것은 기기 코드를 통해 고전력 신호를 전송해야 하는 것을 의미한다. 그러나, 고출력 신호를 전송하면 손실이 커져 바람직하지 않은 루멘 내 가열을 초래하여 신체에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 극복하려면 일반적으로 기기 코드를 통해 저전력 신호를 전송할 것을 요구하여 치료 시간이 길어진다. 치료 시간이 길어지면 환자의 편안함이 줄어들고 수술 후 회복 시간이 길어질 수 있다.
가장 일반적으로, 본 발명은 저전력 마이크로파 주파수 신호를 보다 효율적으로 증폭시키는 부하 네트워크를 갖는 마이크로파 증폭기이다. 본 발명의 마이크로파 증폭기는 생물학적 조직을, 예를 들어 절제, 절개, 응고 등으로 치료하기 위한 전기 수술 장치와 함께 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명에 따른 출력 부하 네트워크에 기인하여 효율이 증가하면 조직에 에너지를 전달하기 위한 마이크로파 어플리케이터 구조물과 DC 전력원 사이의 임의의 지점에 마이크로파 증폭기 및/또는 생성기를 위치시킬 수 있다. 더 작고 보다 효율적인 증폭기는 전력 요구량이 적고 냉각 필요성도 줄어든다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 증폭기 및/또는 마이크로파 생성기는 전기 수술 장치의 핸들 내에 통합되거나 또는 어플리케이터 구조물 자체 내에 통합될 수 있다. 본 발명은 또한 전기 수술 장치와 함께 사용하기 위한 휴대용 생성기 유닛을 제조할 수 있게 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 기본 주파수의 전자기(EM) 신호를 증폭하기 위한 마이크로파 증폭기가 제공되고, 상기 증폭기는, 출력에서 증폭된 마이크로파 신호를 제공하도록 구성된 트랜지스터; 및 트랜지스터 전류 소스 평면에서 상기 증폭된 마이크로파 신호의 파형을 형성하기 위해 상기 출력에 결합된 부하 네트워크를 포함하고, 상기 부하 네트워크는 상기 기본 주파수에서 임피던스 정합을 제공하도록 튜닝 가능한 기본 정합 네트워크; 상기 증폭된 마이크로파 신호의 제2 고조파 주파수에 대한 반파(half-wave) 전송 라인으로서, 상기 출력과 상기 기본 정합 네트워크 사이에 배치된 상기 반파 전송 라인; 제3 고조파 주파수에서 개방 회로 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된, 상기 증폭된 마이크로파 신호의 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브(quarter-wave stub) 및 5-사분파 스터브(5-quarter-wave stub); 및 상기 제2 고조파 주파수에서 단락 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된, 상기 제2 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브 및 상기 기본 주파수에 대한 사분파 스터브를 포함한다. 예를 들어, 상기 증폭기는 집적 회로 기반 증폭기일 수 있다.
이 구성을 사용하면 상기 기본 정합 네트워크는 상기 부하 네트워크의 나머지 부분에 의해 제공되는 파형 형성 효과와 독립적으로 동작할 수 있다. 다시 말해, 상기 파형 형성 효과를 제공하는 스터브는 본 발명에서 상기 기본 정합 네트워크가 정합되는 상기 기본 주파수에 영향을 미치는 것을 상쇄하거나 억제하도록 구성된다. 이를 통해 상기 기본 정합 네트워크는 예를 들어, 트랜지스터에 연결하기 전에 사전 구성될 수 있다. 상기 증폭기를 조립할 때 상기 기본 정합 네트워크에 의해 제공되는 상기 기본 주파수에서 임피던스 정합에 영향을 주지 않으면서 상기 스터브를 적절히 배치하는 것을 통해 필요한 파형 형성 효과를 달성하도록 상기 부하 네트워크를 최적화(예를 들어, 튜닝)할 수 있다.
이러한 독립성은 특히 상기 제3 고조파 주파수에 대한 5-사분파 스터브를 사용하여 달성된다. 이 스터브는 기본 주파수와 제2 고조파 주파수를 정합하는데 대한 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브의 영향을 제거한다.
독립적인 튜닝은 특히 증폭기 트랜지스터가 일반적으로 개별 구성 요소가 아닌 패키지의 일부로 공급되기 때문에 특히 유용하다. 부하 네트워크의 튜닝은 패키지의 특성에 따라 크게 달라질 수 있지만 이러한 특성은 제조업체나 공급업체에 의해 거의 제공되지 않는다. 그 결과 특정 트랜지스터 패키지에 대한 부하 네트워크를 튜닝할 필요가 종종 있다. 본 발명에서, 이것은 기본 주파수에서 부하 네트워크의 임피던스 정합에 영향을 미치지 않으면서 수행될 수 있으며, 이에 의해 트랜지스터 패키지의 정확한 특성이 알려지기 전에 부하 및 정합 네트워크의 일부를 설계하고 튜닝할 수 있다. 또한, 고조파 튜닝 네트워크, 즉 부하 네트워크의 파형 형성 부분이 증폭기의 안정성에 미치는 영향이 트랜지스터 정보의 부족으로 인해 알려져 있지 않은 경우, 효율이 낮은 클래스(예를 들어, 클래스 B)의 증폭기가 패키지의 특성이 알려지기 전에 설계되고 구축될 수 있으며, 클래스 F와 같은 감소된 전달 각도 모드를 갖는 더 높은 효율의 증폭기는 트랜지스터 패키지를 제자리에 두고 실험적으로 '벤치에서' 생산되고 테스트된다.
본 발명의 증폭기는 클래스 F 마이크로파 증폭기이다. 개방 회로 종단에서 홀수 고조파를 종료시키고 단락 종단에서 짝수 고조파를 종료시킴으로써 트랜지스터 전류 소스 평면 또는 출력에서 구형파 전압 파형과 1/2 정현파(sinusoidal wave) 전류 파형으로 높은 증폭기 효율이 달성된다. 특히, 본 발명은 부하 네트워크에서 기본 주파수의 3차 고조파까지만을 고려하면서 적어도 80%의 높은 효율을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이 레벨의 효율은 후술하는 바와 같이 전기 수술 장치의 마이크로파 생성기 라인업에 사용하기에 충분하다. 일부 실시형태에서, 부하 네트워크는 더 높은 효율을 달성하기 위해 고차 고조파 주파수에 대한 추가 종단을 포함할 수 있다. 이론적으로, 부하 네트워크에 의해 충분한 수의 고차 고조파가 종료되면 100%에 가까운 효율을 달성할 수 있다.
바람직하게는, 3차 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브와 5-사분파 스터브는 3차 고조파에 대한 트랜지스터 전류 소스 평면으로부터 사분파와 동일한 반파 전송 라인을 따른 거리에서 서로 대향하도록 배열된다. 이것은 제3 고조파 주파수의 적절한 개방 회로 종단을 보장한다. 기본 정합 네트워크와 독립적으로 부하 네트워크를 튜닝하는 능력은 고유 트랜지스터 전류 소스 평면과 패키지 외부 평면 사이의 알려지지 않은 전기적 길이, 즉 트랜지스터가 제공된 패키지 출력과 트랜지스터 출력 사이의 전기적 거리를 고려한다. 일부 실시형태에서, 제2 고조파 주파수에 대한 반파 전송 라인은 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 전송 라인(내부 패키지 드레인 연결 전기적 길이를 포함함)을 포함하고, 그리하여 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브와 5-사분파 스터브는 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 전송 라인의 출력에서 서로 대향하도록 배열될 수 있다.
바람직하게는, 제2 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브와 기본 주파수에 대한 사분파 스터브는 반파 전송 라인의 출력에서 서로 대향하도록 배열된다. 이것은 제2 고조파 주파수의 적절한 폐쇄 회로 종단을 보장한다.
선택적으로, 기본 주파수에 대한 사분파 스터브를 통해 바이어스(bias) 전압이 트랜지스터에 인가될 수 있다. 바람직하게는 접지에 대한 분기(shunt) 커패시터는 또한 기본 주파수에 대한 사분파 스터브와 바이어스 전압 입력의 연결부에 배열된다. 커패시터는 마이크로파 주파수에서 단락을 근사하기 위해 충분히 낮은 리액턴스를 제공할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 고전력 마이크로파 전자기(EM) 복사선을 생성하기 위한 마이크로파 신호 생성기가 제공되고, 상기 생성기는 제1 전력의 마이크로파 EM 복사선을 생성하도록 배열된 마이크로파 생성기, 및 본 발명의 제1 양태에 따른 증폭기일 수 있는 마이크로파 증폭기를 포함한다. 상기 마이크로파 증폭기는 상기 제1 전력으로부터 상기 제1 전력보다 더 높은 제2 전력으로 상기 마이크로파 EM 복사선을 증폭하도록 배열된다. 전술한 바와 같은 마이크로파 증폭기를 사용함으로써, 본 발명은 고전력 마이크로파 EM 복사선을 생성할 수 있는 휴대용 마이크로파 신호 생성기를 용이하게 제조할 수 있게 한다. 고효율 장치는 더 작을 수 있고 전력 및 냉각 요구조건이 감소될 수 있다. 휴대용 생성기는 예를 들어 전기 수술 지혈 디바이스, 특히 비상 상황에서 사용될 수 있는 디바이스와 함께 사용하기에 바람직할 수 있다. 마이크로파 신호 생성기는 마이크로파 생성기에 의해 요구될 수 있는 직류 전류(DC) 에너지를 공급하기 위한 DC전력원을 포함할 수 있다. DC 전력 공급원은 배터리, 특히 착탈식 배터리의 형태일 수 있다. 이러한 방식으로, 추가적인 에너지 전달이 필요한 경우 전력 공급원을 쉽게 교체할 수 있는, 지혈 및 응고에 충분한 에너지를 제공하는 휴대용 생성기가 제공될 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 전기 수술을 수행하기 위한 전기 수술 장치가 제공되고, 상기 장치는, 제1 전력의 마이크로파 전자기(EM) 복사선을 생성하도록 배열된 마이크로파 신호 생성기; 본 발명의 제1 양태에 따른 마이크로파 증폭기로서, 제1 전력으로부터 상기 제1 전력보다 더 높은 제2 전력으로 상기 마이크로파 EM 복사선을 증폭하도록 배열된 상기 마이크로파 증폭기; 생물학적 조직을 치료하기 위해 원위 단부로부터 상기 제2 전력의 상기 마이크로파 EM 복사선을 전달하도록 배열된 탐침; 및 마이크로파 EM 에너지를 운반하기 위한 급전 구조물을 포함하고; 상기 탐침은 상기 급전 구조물의 원위 단부에 배열되고, 상기 마이크로파 신호 생성기와 상기 마이크로파 증폭기는 상기 급전 구조물을 따라 분포된다.
이러한 방식으로 전기 수술 장치를 제공함으로써, 상기 제1 양태와 관련하여 전술한 바와 같은 마이크로파 증폭기를 사용하여, 상기 급전 구조물에 걸친 손실을 감소시키고 루멘 내 가열에 기인하는 문제를 피하면서 전기 수술용 고전력 마이크로파를 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 마이크로파 증폭기가 상기 탐침에 더 가까이 위치되거나 심지어 상기 탐침과 통합될 수 있게 하여, 고전력 마이크로파 EM 에너지를 상기 탐침으로 전송하는 것을 통해 일반적으로 발생하는 손실을 감소시킬 수 있게 한다. 이것은 직경이 줄어든 케이블을 사용할 수 있게 하여 도달하기 어려운 곳에서 전기 수술을 가능하게 하는 것과 같은 많은 장점을 가지고 있다. 손실 감소는 또한 급전 구조물을 형성하는 전송 케이블의 가열 감소를 의미한다.
본 발명은 또한 증폭기에 대한 전력 요구량을 감소시켜, 마이크로파 증폭기로 이어지는 급전 구조물에 걸친 손실 및 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 마이크로파 신호 생성기는 상기 탐침과 통합될 수도 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 알려진 디바이스에 존재하는 마이크로파 전력 손실 및 관련 결점은 추가로 회피되거나 감소될 수 있다. 상기 장치는 마이크로파 신호 생성기에 DC 에너지를 공급하기 위한 직류 전류(DC) 전력원을 더 포함할 수 있고, 상기 DC 전력원은 또한 상기 탐침과 통합된다. 이러한 방식으로, 마이크로파 생성은 상기 탐침 내에서 완전히 수행될 수 있고, 일부 실시형태에서는 외부 전력원이 필요치 않다.
일부 실시형태에서, 전기 수술 장치는 몸체 및 기기 코드를 갖는 관찰 디바이스를 포함할 수 있고, 기기 채널은 상기 기기 코드를 통해 연장되고, 상기 탐침은 상기 기기 채널을 통해 삽입될 수 있다. 예를 들어, 상기 관찰 디바이스는 내시경, 위 내시경, 복강경 등일 수 있다. 상기 마이크로파 신호 생성기는 본 발명의 장점을 갖는 휴대용 전기 수술 장치를 제공하기 위해 관찰 디바이스의 몸체와 통합될 수 있다. 일부 실시형태에서, DC 전력원은 관찰 디바이스의 몸체와 통합될 수 있다.
선택적으로, 전기 수술 장치는 가요성 샤프트를 통해 탐침에 연결될 수 있는 핸들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가요성 샤프트는 관찰 디바이스의 기기 채널을 통해 삽입될 수 있다. 마이크로파 신호 생성기는 핸들과 통합될 수 있다. 일부 실시형태에서, DC 전력원은 핸들과 통합될 수 있다.
본 명세서에서 "마이크로파"는 400㎒ 내지 100㎓의 주파수 범위를 나타내지만, 바람직하게는 1㎓ 내지 60㎓의 범위를 나타내기 위해 광범위하게 사용될 수 있다. 고려된 특정 주파수는 915㎒, 2.45㎓, 3.3㎓, 5.8㎓, 10㎓, 14.5㎓ 및 24㎓이다.
유사하게, 본 명세서에서 "전도체" 또는 "전도성" 물질이라는 언급은, 문맥 상 다른 의미가 의도되지 않는 한, 전기 전도성을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 구현하는 예는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 논의된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 완전한 전기 수술 장치의 개략도;
도 2는 마이크로파 생성기 라인업의 개략도;
도 3은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 출력단의 구성 요소의 개략도;
도 4는 종래 기술의 부하 네트워크를 도시하는 도면;
도 5는 본 발명에 따른 부하 네트워크를 도시하는 도면; 및
도 6은 본 발명에 따른 증폭기의 출력 전압 및 전류의 그래프를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 완전한 전기 수술 장치(100)의 개략도이다.
장치는 내시경, 위 내시경, 복강경 등과 같은 수술용 관찰 디바이스(114)를 포함한다. 수술용 관찰 디바이스(114)는 다수의 입력 포트, 및 기기 코드(120)가 연장되는 출력 포트를 갖는 몸체(116)를 포함한다. 기기 코드(120)는 복수의 루멘을 둘러싸는 외부 재킷을 포함한다. 복수의 루멘은 몸체(116)로부터 기기 코드(120)의 원위 단부까지 다양한 것을 운반한다. 복수의 루멘 중 하나는 기기 (작업) 채널이다. 가요성 샤프트(112)는 기기 (작업) 채널의 전체 길이를 따라 삽입 가능하다. 다른 루멘은 예를 들어 원위 단부에 조명을 제공하거나 원위 단부로부터 이미지를 수집하기 위해 광학 복사선을 운반하기 위한 채널을 포함할 수 있다. 몸체(116)는 원위 단부를 관찰하기 위한 접안 부재(122)를 포함할 수 있다. 원위 단부에서 조명을 제공하기 위해, 광원(124)(예를 들어, LED 등)이 조명 입력 포트(126)에 의해 몸체(116)에 연결될 수 있다.
가요성 샤프트(112)의 근위 단부에는 주사기와 같은 유체 전달 디바이스(108)로부터 유체 공급부(107)를 수용하도록 연결될 수 있는 핸들(106)이 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 필요한 경우, 핸들(106)은 예를 들어 하나 이상의 제어 와이어 또는 푸시 로드(push rod)(도시되지 않음)의 길이 방향(전후) 이동을 제어하기 위해 트리거(110)를 슬라이딩함으로써 동작 가능한 기기 제어 기구를 수용할 수 있다. 복수의 제어 와이어가 있는 경우, 전체 제어를 제공하기 위해 핸들 상에 다수의 슬라이딩 트리거가 있을 수 있다.
장치(100)는 또한 마이크로파 주파수 및 선택적으로 무선 주파수(RF) 전자기(EM) 에너지를 원위 조립체(118)에 공급하기 위한 생성기(102)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 생성기(102)는 DC 에너지만을 공급하기 위한 DC 전력원으로서 구성된다. 생성기(102)는 인터페이스 케이블에 의해 핸들(106)에 연결된다.
가요성 샤프트(112)의 원위 단부에는, 수술용 관찰 디바이스(114)의 기기 채널을 통과하여 기기 코드(120)의 원위 단부에서 (예를 들어, 환자 내로) 돌출되도록 형성된 원위 단부 조립체 또는 어플리케이터(118)(예를 들어, 도 1에는 축척에 맞게 도시되지 않음)가 존재한다. 원위 단부 조립체는 아래에 보다 상세히 논의된 바와 같이 마이크로파 에너지를 생물학적 조직으로 전달하기 위한 능동 팁을 포함한다.
원위 조립체(118)의 구조물은 2.0㎜ 이하의, 예를 들어 1.9㎜ 미만(보다 바람직하게는 1.5㎜ 미만의) 최대 외부 직경을 갖도록 배열될 수 있고, 가요성 샤프트의 길이는 1.2m 이상일 수 있다.
일부 실시형태에서, 몸체(116)는 예를 들어 적절한 리드(lead)를 사용하여 가요성 샤프트를 따라 원위 단부 조립체(118)에 DC 에너지를 전달하도록 연결된 DC 전력원(128)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, DC 전력원이 생성기(102) 대신에 제공될 수 있다. DC 전력원(128 또는 102)은 몸체(116)에 장착될 수 있는 배터리(예를 들어, 리튬 이온 배터리), 슈퍼 커패시터 또는 연료 전지일 수 있다. 다른 예에서, DC 전력원(128 또는 102)은 원격 소스(도시되지 않음)로부터 디바이스로 에너지를 유도적으로 또는 자기적으로 결합시키도록 배열된 결합 유닛(coupling unit)일 수 있다. 이 경우에, 결합 유닛은 결합된 에너지로부터 DC 신호를 얻기 위해 내부 정류 및 필터링을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, DC 전력원은 원위 단부 조립체(118)의 일부일 수 있으며, 이 경우 기기 채널을 따라 연장되는 리드는 필요치 않다.
기기 코드(120)의 적어도 원위 단부의 위치를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 몸체(116)는 기기 코드(120)를 통해 연장되는 하나 이상의 제어 와이어(도시되지 않음)에 의해 기기 코드(120)의 원위 단부에 기계적으로 결합되는 제어 액추에이터(130)를 포함할 수 있다. 제어 와이어는 기기 채널 내 또는 전용 채널 내에서 이동할 수 있다. 제어 액추에이터(130)는 레버 또는 회전식 노브(rotatable knob), 또는 임의의 다른 알려진 카테터 조작 디바이스일 수 있다. 기기 코드(120)의 조작은 예를 들어 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지로 구성된 가상 3차원 지도를 사용하여 소프트웨어로 지원될 수 있다.
도 2는 마이크로파 생성기 라인업(131)의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 마이크로파 생성기 라인업(131)은 저전력 마이크로파 신호를 생성하기 위한 생성기 회로부(132), 및 생물학적 조직의 전기 수술, 예를 들어, 절제 치료에 적합한 레벨로 신호를 증폭하기 위한 출력단(134)을 포함한다.
생성기 회로부(132)는 예를 들어 1㎓ 이상, 바람직하게는 5.8㎓ 이상의 주파수를 갖는 마이크로파 신호를 출력하기 위한 발진기(144)를 포함한다. 발진기(144)는 전압 제어 발진기(VCO) 또는 유전체 공진기 발진기(DRO)일 수 있다. 발진기(144)는 입력으로서 DC 전력을 수신할 수 있다. DC 전력은 생성기(102) 또는 DC 전력원(128)에 의해 제공될 수 있다. 발진기(144)로부터의 출력은 변조기(146)에 의해 펄싱될 수 있다. 발진기(144)로부터의 출력은 구동기 증폭기(148)에 제공되고, 이 구동기 증폭기는 출력단(134)을 위한 입력 신호를 생성하도록 배열된다. 구동기 증폭기(148)는 임의의 적합한 MMIC 디바이스일 수 있다. 라인업(131)은 출력단(134)으로 전달된 신호의 진폭을 제어하기 위해 감쇠기(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 출력단(134) 자체는 바이어싱 회로(150), 및 전력 증폭기로 구성된 GaN 기반 트랜지스터(152)를 포함할 수 있다. 출력단은 방사 구조물로부터 되반사되는 신호로부터 출력단 구성 요소를 보호하기 위한 회로부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서큘레이터는 GaN 기반 트랜지스터로부터의 순방향 경로 상에 장착될 수 있다. 서큘레이터는 반사된 전력을 덤프 부하로 전환할 수 있다. 그러나, GaN 기반 구조물은 충분히 견딜 수 있기 때문에 이 보호 구조물은 필수적인 것은 아니다. 출력단(134)은 또한 후술하는 바와 같이 부하 네트워크를 포함한다.
마이크로파 생성기 라인업(131)의 구성 요소는 전기 수술 장치(100)의 상이한 부분 내에 위치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 생성기 회로부(132) 및 출력단(134)을 포함하는 생성기 라인업(131)은 마이크로파 생성기(102)의 일부를 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로파 증폭기를 사용함으로써, 마이크로파 생성기(102)는 휴대하기 용이할 수 있다. 대안적으로, 발진기(144) 및 변조 스위치(146)는 원위 단부 조립체(118)의 일부일 수 있으며, 이는 케이블을 통해 마이크로파 신호를 통과시키는 것과 관련된 손실을 상당히 감소시키는데 바람직할 수 있다. 선택적으로, 발진기(144) 및 변조 스위치(146)는 수술용 관찰 디바이스의 몸체(116)에 또는 몸체 내에 위치될 수 있고, 출력단은 어플리케이터(118)에 위치될 수 있어서, 저전력 마이크로파 신호만이 기기 채널을 따라 전송될 필요가 있기 때문에 손실을 감소시킨다. 다른 예에서, 전체 생성기 회로부(132)(즉, 구동기 증폭기(148)를 포함함)는 예를 들어, 몸체(116) 내 원위 단부 조립체로부터 근위 거리에 위치될 수 있다. 따라서, 출력단(134)에 대한 입력 신호는 기기 채널을 따라 전송될 수 있다.
예시를 위해, 일례는 10㏈m(10㎽)의 출력 전력을 갖는 DRO, 및 관찰 디바이스의 몸체 내에 위치된 20㏈의 이득을 갖는 MMIC를 포함할 수 있다. 이 시나리오에서 케이블의 삽입 손실이 10㏈인 경우에도 원위 단부 조립체에 20㏈m(100㎽)이 여전히 이용 가능할 수 있다. 이 예에서, 출력단은 제2 MMIC에 후속하여 GaN 기반 트랜지스터(152)를 포함할 수 있다. 제2 MMIC가 10㏈의 이득을 갖고 고밀도 GaN 디바이스가 10㏈의 이득을 가지면, 전달하는데 40㏈m(10W)이 이용 가능할 수 있다.
전송 라인(136)은 출력단(134)에 의해 생성된 마이크로파 전력을 방사 구조물로 운반하기 위한 임의의 적절한 구조물일 수 있다. 예를 들어, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, (도파로를 포함하는) 동축 구조물 및 마이크로 스트립 구조물이 모두 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에서 사용될 수 있는 출력단(134)의 구성 요소의 개략도이다. 출력단(134)은 생성기 회로부(132)로부터 수신된 입력을 위한 증폭기로서 고밀도 GaN 기반 HEMT를 사용한다. 임의의 적절한 증폭기 구성이 사용될 수 있지만, 본 발명에 따라 클래스 F 구조물을 사용하여 출력 트랜지스터를 바이어싱하는 것이 가장 바람직하다. 이 구성을 통해 디바이스는 전력 추가 효율(Power Added Efficiency: PAE)을 이론적 한계에 가깝게 취할 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 구조물은 적어도 80% 또는 최대 90%의 PAE를 달성할 수 있다. 출력단(134)의 형태에 기인한 이러한 고효율에 의해 단지 저전력의 마이크로파 신호만이 출력단(134)으로 송신될 것을 요구하여 신호가 케이블을 통과할 때 더 적은 손실이 발생하기 때문에 마이크로파 생성기 라인업(131)의 구성 요소들을 분리시켜 전기 수술 장치(100)의 구성 요소에 걸쳐 분산시킬 수 있게 된다. 또한 고효율에 의해 휴대용 마이크로파 생성기(102)를 구성할 수 있다.
도 3의 클래스 F 구조물은 HEMT(152) 증폭기의 출력에 부하 네트워크를 제공하고, 부하 네트워크는 정합 회로(188) 및 공진 회로(190)를 포함한다. 제1 공진 회로(예를 들어, LC 또는 탱크 회로)(184)는 또한 각각의 정합 회로(186)(예를 들어, 직렬 LC 회로)를 통해 GaN 기반 HEMT(152)의 입력에 제공된다. 출력 공진 회로(188)와 정합 네트워크(190)로 구성된 부하 네트워크는 아래에서 설명되는 고조파 종단 네트워크이다. 이 디바이스는 클래스 B 동작과 유사한 방식으로 차단(cut-off) 주파수 근처에서 또는 차단 주파수에서 바이어싱된다.
입력에서 입력 마이크로파 신호와 출력에서 DC로 생성된 마이크로파 전력의 양의 효율을 증가시키기 위해, 표준 선형 클래스 A 방식 이외의 방식, 즉 클래스 B, AB, C, D, E 또는 F를 사용하여 GaN 디바이스를 동작시키는 것이 바람직하다.
증폭기의 효율은 설계에 사용되는 트랜지스터의 특성에 의해 제한된다. 클래스 F 설계를 사용하는 경우 이론적으로 100% 효율을 달성할 수 있지만 이는 트랜지스터가 이상적인 전류 소스라고 가정한다. 실제로, 클래스 F 배열을 사용하여 적어도 70%의 전력 추가 효율(PAE)을 달성할 수 있어야 한다.
클래스 F 증폭기는 기본적으로 클래스 B 증폭기를 가지며, 컴포넌트 트랜지스터는 순수 트랜스컨덕턴스 영역이 아닌 트랜스컨덕턴스 영역과 증폭기의 무릎 사이에서 바이어싱된다. 이러한 바이어싱은 전류 및 전압 출력 파형을 클리핑(clipping)하는데, 즉 정현파 출력 파형이 왜곡되고, 증폭 트랜지스터의 출력을 위해 적절한 부하 또는 고조파 종단 네트워크를 선택함으로써 파형 엔지니어링이 수행될 수 있다.
예를 들어, 제2 공진 회로(190)는 짝수 고조파에 단락으로 보이고(즉, 2f1(f1은 회로의 기본 공진 주파수임)에서 단락으로 보이고) 홀수 고조파에 개방 회로(즉, 3f1에서 개방 회로)로 보이는 출력 파형을 부하에 기초하여 형성하도록 구성될 수 있다. 따라서, 드레인 전압 파형은 구형파를 향해 형성되는 반면, 드레인 전류는 제어되는 고조파의 수에 따라 반파 정현파 파형과 유사하도록 형성된다. n차 고조파의 경우 fn = nf1 및 λn = λ1/n이라는 것이 주목된다. 고차 고조파를 고려할 수 있지만 PAE 측면에서 이득이 감소한다. 2차 및 3차 고조파를 고려하는 공진 회로는 적어도 80%의 효율을 달성하기에 충분하여 효율과 부하 네트워크의 복잡성/비용에 있어서 양호한 균형을 나타낸다. 제2 고조파와 제3 고조파만을 고려함으로써, 부하 네트워크는 집적 회로의 일부로서 제공될 수 있을 만큼 충분히 작게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 집적 회로 기반 증폭기가 탐침 자체에 통합될 수 있다.
제1 공진 회로(184)는 디바이스가 구형파 펄스에 의해 구동되는 것을 보장하는 것을 돕는다. 제1 공진 회로(184)는 고조파 생성을 도입하고, 보다 간단한 전류 소스가 사용될 수 있게 한다. 일부 실시형태에서, 제1 공진 회로(184)는 필요치 않으며 입력 파형은 정현파 파형이다.
트랜지스터(202)의 출력을 위해 알려진 부하 또는 고조파 종단 네트워크(200)의 일례가 도 4에 도시되어 있다. 부하 네트워크(200)는 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 전송 라인(204), 즉 λ3/4 전송 라인(204) 및 직렬로 연결된 λ2/2-λ3/4 전송 라인(212)으로 형성된 제2 고조파 주파수에 대한 반파 전송 라인(즉, λ2/2 전송 라인)을 포함한다. λ3/4 전송 라인(204) 길이는 드레인 출력 연결로 이어지는 트랜지스터의 패키지 내부의 전송 라인을 포함하며, 여기서 패키지의 특성은 알려져 있지 않을 수 있다.
제3 고조파 주파수에서 고유 트랜지스터 드레인에 개방 회로를 제공하기 위해 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브(206)(λ3/4 스터브)가 사분파 전송 라인(204)의 출력에 배열된다. 고조파 주파수와 공진 주파수 사이의 관계로 인해 λ3/4 = λ1/12이어서 3차 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브는 또한 λ1/12 스터브로 고려될 수 있다는 것이 주목된다.
제2 고조파 주파수(f2)에서 단락을 제공하기 위해, 부하 네트워크(200)는 기본 주파수에 대한 사분파 스터브(210)(λ1/4 스터브)와 반대쪽에 배열된 제2 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브(208)(λ2/4 스터브)를 포함한다. 이들은 제2 고조파에 대한 유효 반파(effective half-wave) 전송 라인의 출력에 배열된다.
트랜지스터의 바이어스 전압(Vdd)은 기본 주파수에 대한 사분파 스터브(210)를 통해 인가된다. 이는 제2 고조파에서 정확한 임피던스를 제공하기 위해 바이어스 급전이 트랜지스터(202)로부터 제2 고조파 주파수에서 반-파장 거리에 이격되는 것을 보장한다.
서브 정합 네트워크(214)가 또한 제공되며, 이 서브 정합 네트워크는 회로(200)의 나머지 부분을 고려하면서 기본 주파수(f1)에서 임피던스 정합을 제공하도록 튜닝될 수 있다. 서브 정합 네트워크(214)는 부하 네트워크(200)의 나머지 부분과 유사하게 전송 라인 및 스터브의 추가 배열을 포함할 수 있으며, DC 차단 커패시터도 존재할 수 있다.
그러나, 증폭기의 효율을 증가시키기 위해 부하 네트워크(200)를 튜닝하는 것은 서브 정합 네트워크(214)에 대한 요구조건에 영향을 미친다. 또한 부하 네트워크의 나머지 부분에 의해 악영향을 받는 서브 정합 네트워크(214)를 설계 및 튜닝하는 것은 어렵고 시간이 걸릴 수 있고, 최적화되지 않은 결과를 초래할 수 있다. 본 발명에 따른 네트워크는 후술하는 바와 같이 이러한 어려움을 극복한다.
도 5는 본 발명에 따른 부하 네트워크(300)의 개략도를 도시한다.
부하 네트워크(300)는 트랜지스터(302)의 출력에 결합되고, 이 트랜지스터는 기본 주파수(f1)에서 트랜지스터(302)에 전달되는 마이크로파 신호를 증폭하도록 배열된다. 부하 네트워크(300)는 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 전송 라인(304)(λ3/4 전송 라인) 및 직렬로 연결된 λ2/2-λ3/4 전송 라인(310)으로 형성된 제2 고조파 주파수에 대한 반파 전송 라인을 포함한다. λ3/4 전송 라인(304) 길이는 드레인 출력 연결로 이어지는 트랜지스터의 패키지 내부의 전송 라인을 포함하고, 여기서 패키지의 특성은 알려져 있지 않을 수 있다.
제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브(306)와 5-사분파 스터브(308)(각각 λ3/4 스터브(306)와 5λ3/4 스터브(308))가 유효 반파 전송 라인에서 서로 대향하여 배열된다. 이들은 제3 고조파 주파수에 대한 사분파와 같은 거리에서, 즉 사분파 전송 라인(304)의 출력에서 트랜지스터(302), 특히 고유한 트랜지스터(302) 전류 소스로부터 떨어져 위치된다. 사분파 스터브(306)는 3차 고조파 주파수에서 개방 회로를 제공하는 반면, 5-사분파 스터브(308)는, 사분파 스터브(306)가 2차 고조파 주파수와 기본 주파수에서 부하 네트워크(300)에 미치는 영향을 상쇄하면서도 3차 고조파 주파수에서 개방 회로를 강화한다.
유효 반파 전송 라인의 출력, 즉 λ2/2-λ3/4 전송 라인(310)의 출력에는 제2 고조파 주파수에서 사분파 스터브(314)가 배열되고 기본 주파수에서 사분파 스터브(312)가 배열된다. 이들 스터브는 제2 고조파 주파수에서 단락을 제공한다.
제2 고조파 주파수에서 단락을 제공하고 제3 고조파 주파수에서 개방 회로를 제공함으로써, 부하 네트워크(300)는 시간의 함수로서 도 6에 도시된 바와 같이, 대략 구형파 전압 출력 및 1/2 정현파 전류 출력을 생성한다. 이는 증폭기가 적어도 80%의 고효율에서 동작하는 것을 보장한다.
트랜지스터의 바이어스 전압(Vdd)은 기본 주파수에 대한 사분파 스터브(312)를 통해 인가된다. 마이크로파 커패시터(C우회)와 함께 사분파 스터브(312)는 기본 주파수에서 개방 회로를 나타내서 네트워크(300)의 나머지 부분에 영향을 미치지 않는다. 제2 고조파 주파수에서, 사분파 스터브(312)와 커패시터는 단락을 나타내서, 제2 고조파 주파수에서 사분파 스터브(314)의 영향을 강화한다.
트랜지스터는 일반적으로 개별 구성 요소가 아닌 패키지의 일부로만 이용 가능하다. 패키지 자체에 대한 정보는 일반적으로 제한되어 있어서 부하 네트워크를 설계하는 데 어려움을 준다. 예를 들어, 정확한 길이의 전송 라인을 형성하기 위해 트랜지스터 출력, 즉 고유 전류 생성기 평면과 이와 다른 구성 요소 사이의 정확한 거리를 알아야 하는 경우가 종종 있다. 이러한 이유로, 가상 모델에만 의존하지 않고 트랜지스터 패키지를 제자리에 둔 상태에서 증폭기에 대해 부하 네트워크를 튜닝할 수 있는 것이 중요하다.
본 발명의 부하 네트워크는 부하 네트워크(300)의 나머지 부분과 정합 네트워크(316)를 튜닝하는 것을 독립적으로 수행될 수 있게 한다. 기본 정합 네트워크(316)는 부하 네트워크의 나머지 부분을 튜닝하는 것에 의해 영향을 받지 않고 기본 주파수에서 임피던스를 정합하도록 튜닝될 수 있다. 이것은 3차 고조파 주파수에 대한 5-사분파 스터브(308)를 추가하고 위치시키는 것에 기인하며, 이는 3차 고조파 주파수에 대해 개방 회로를 강화하면서도 기본 주파수와 제2 고조파 주파수를 정합하는데 대한 사분파 스터브(306)의 영향을 제거한다.
이러한 방식으로, 기본 정합 네트워크(316)와 부하 네트워크(300)의 중간 부분은 함께 디바이스가 클래스 F 증폭기로서 동작할 수 있게 하며, 여기서 관련 고조파에 정합하기 위한 튜닝은 기본 정합 네트워크(316)에 의해 수행되는 기본 주파수에 튜닝하는 것과 독립적으로 중간 부분에 의해 수행될 수 있다.
기본 정합 네트워크(316)는 특정 트랜지스터(302) 또는 트랜지스터 패키지를 위해 설계되고 튜닝될 수 있다. 이것은 사전에 수행되고 나서, 본 발명의 부하 네트워크(300) 구성에 장착될 수 있다. 중간 부분은 기본 정합 네트워크를 튜닝하는 것에 영향을 미치지 않으면서 클래스 F 동작을 가능하게 하도록 튜닝될 수 있다.
기본 정합 네트워크(316)는 전송 라인과 스터브의 추가 배열을 포함할 수 있고, DC 차단 커패시터가 또한 존재할 수 있다. 기본 정합 네트워크(316)는 제2 고조파에 대한 유효 반파 전송 라인을 고려하여, 트랜지스터(302)의 모델을 사용하여 설계 단계 동안 기본 주파수에서 정합하기 위해 최적화될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파 증폭기를 사용함으로써, 매우 높은 증폭기 효율이 달성될 수 있다. 이러한 높은 효율의 결과로, 전기 수술 디바이스용 마이크로파 생성기가 알려진 생성기보다 더 작고 더 쉽게 휴대 가능하게 만들어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시형태는 마이크로파 생성기 또는 마이크로파 증폭기가 전기 수술 장치의 다른 구획 내에, 예를 들어, 핸들 또는 방사 구조물 내에 위치될 수 있는 것을 고려한다. 이들 실시형태에서, 높은 증폭기 효율은 DC 또는 마이크로파 주파수 신호가 더 낮은 전력으로 마이크로파 생성기 또는 증폭기로 전송될 수 있다는 것을 의미한다. 이로 인해 전력 소비가 줄어들고 장치의 냉각이 보다 쉽게 구현된다.

Claims (15)

  1. 기본 주파수의 전자기(EM) 신호를 증폭시키기 위한 마이크로파 증폭기로서,
    출력에서 증폭된 마이크로파 신호를 제공하도록 구성된 트랜지스터; 및
    상기 출력에 결합되고 상기 증폭된 마이크로파 신호의 파형을 형성하기 위한 부하 네트워크를 포함하되;
    상기 부하 네트워크는,
    상기 기본 주파수에서 임피던스 정합을 제공하도록 튜닝 가능한 기본 정합 네트워크;
    상기 증폭된 마이크로파 신호의 제2 고조파 주파수에 대한 반파 전송 라인으로서, 상기 출력과 상기 기본 정합 네트워크 사이에 배치된 상기 반파 전송 라인;
    제3 고조파 주파수에서 개방 회로 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된 상기 증폭된 마이크로파 신호의 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브(quarter-wave stub) 및 5-사분파 스터브(five-quarter-wave stub); 및
    상기 제2 고조파 주파수에서 단락 상태를 제공하기 위해 상기 반파 전송 라인 상에 배열된, 상기 제2 고조파 주파수에 대한 사분파 스터브 및 상기 기본 주파수에 대한 사분파 스터브를 포함하는, 마이크로파 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 고조파 주파수에 대한 상기 사분파 스터브와 상기 5-사분파 스터브는 제3 고조파 주파수에 대한 사분파와 동일한 상기 반파 전송 라인을 따라 거리를 두고 서로 대향하도록 배열된, 마이크로파 증폭기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 고조파 주파수에 대한 상기 사분파 스터브와 상기 기본 주파수에 대한 상기 사분파 스터브는 상기 반파 전송 라인의 출력에서 서로 대향하도록 배열된, 마이크로파 증폭기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 바이어스 전압이 상기 기본 주파수에 대한 상기 사분파 스터브를 통해 상기 트랜지스터에 인가되는, 마이크로파 증폭기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기본 주파수에 대한 상기 사분파 스터브와 상기 바이어스 전압 입력 사이에 배열된 커패시터를 더 포함하는, 마이크로파 증폭기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 고조파 주파수에 대한 상기 반파 전송 라인은 제3 고조파 주파수에 대한 사분파 전송 라인을 포함하고, 상기 제3 고조파 주파수에 대한 상기 사분파 스터브와 상기 5-사분파 스터브는 상기 제3 고조파 주파수에 대한 상기 사분파 전송 라인의 출력에서 서로 대향하도록 배열된, 마이크로파 증폭기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜지스터는 GaN 기반 HEMT인, 마이크로파 증폭기.
  8. 고전력 마이크로파 전자기(EM) 복사선을 생성시키기 위한 마이크로파 신호 생성기로서,
    제1 전력의 마이크로파 EM 복사선을 생성시키도록 배열된 마이크로파 소스, 및
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 마이크로파 증폭기를 포함하고, 상기 마이크로파 증폭기는 상기 제1 전력으로부터 상기 제1 전력보다 더 높은 제2 전력으로 상기 마이크로파 EM 복사선을 증폭시키도록 배열된, 마이크로파 신호 생성기.
  9. 제8항에 있어서, DC 에너지를 공급하기 위한 직류 전류(DC) 전력원을 더 포함하는, 마이크로파 신호 생성기.
  10. 전기 수술을 수행하기 위한 전기 수술 장치로서,
    제1 전력의 마이크로파 전자기(EM) 복사선을 생성하도록 배열된 마이크로파 소스;
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 마이크로파 증폭기로서, 상기 제1 전력으로부터 상기 제1 전력보다 더 높은 제2 전력으로 상기 마이크로파 EM 복사선을 증폭시키도록 배열된, 상기 마이크로파 증폭기;
    생물학적 조직을 치료하기 위해 원위 단부로부터 상기 제2 전력의 상기 마이크로파 EM 복사선을 전달하도록 배열된 탐침; 및
    상기 마이크로파 생성기로부터 상기 마이크로파 증폭기로 그리고 상기 탐침으로 마이크로파 EM 에너지를 운반하기 위한 급전 구조물을 포함하되;
    상기 탐침은 상기 급전 구조물의 원위 단부에 배열된, 전기 수술 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로파 신호 생성기에 직류 전류(DC) 에너지를 공급하기 위한 DC 전력원을 더 포함하되, 상기 DC 전력원은 상기 탐침과 통합된, 전기 수술 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 마이크로파 증폭기는 상기 탐침에 장착된, 전기 수술 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호 생성기는 상기 탐침에 장착된, 전기 수술 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 몸체 및 기기 코드를 갖는 관찰 디바이스를 더 포함하되, 기기 채널은 상기 기기 코드를 통해 연장되고, 상기 탐침은 상기 기기 채널을 통해 삽입 가능한, 전기 수술 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 가요성 샤프트를 통해 상기 탐침에 연결된 핸들을 더 포함하는, 전기 수술 장치.
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