用于电外科设备的隔离装置的制作方法
本发明涉及电外科设备，其中射频能量用于治疗生物组织。特定地，本发明涉及能够产生用于切割组织的射频(rf)能量的外科设备,它可以用作外科设备的一部分，所述外科设备还输送用于止血的微波频率能量(即通过促进凝血来封闭破裂的血管)。
背景技术：
手术切除是一种从人体或动物体内移除器官的部分的方式。此类器官可以是血管丰富的。当组织被切割(分割或横切)时，被称为小动脉的小血管被损坏或破裂。继最初流血之后是凝血级联，其中血液转变成血块以试图堵住出血点。在手术期间，期望患者失血尽可能得少，因此已经开发出各种装置以试图提供无出血切割。对于内窥镜手术而言，出现流血并且未被尽可能快地或未以权宜方式处理也是不希望的，因为血流可能使手术者的视野变得模糊，其可能导致需要终止手术并且替代地使用另一方法，例如，开放手术。
在所有医院手术室中，电外科发生器是普遍存在的，用于开放和腹腔镜手术，并且也越来越多地存在于内窥镜套件(endoscopysuite)中。在内窥镜手术中，通常将电外科配件插入穿过内窥镜内部的内腔。针对用于腹腔镜手术的等同通路通道考虑，这类内腔的孔相对较窄并且长度相对较长。在肥胖患者的情况中，手术配件从柄部至rf尖端的长度可为300mm，而在腹腔镜情况下等同距离可超过2500mm。
替代锋利的刀的是，已知使用射频(rf)能量来切割生物组织。使用rf能量的切割方法是使用以下原理来操作：当电流经过组织基质(由细胞和细胞间电解质的离子含量辅助)时，对电子跨越组织流动的阻抗产生热量。当将rf电压施加于组织基质时，细胞内产生足够的热量以汽化组织的含水量。由于这越来越干燥，特别是邻近于器械(在本文中称为rf刀)的具有穿过组织的整条电流路径的最高电流密度的rf发射区域，邻近于rf刀的切杆的组织失去与所述刀的直接接触。所施加的电压然后表现为几乎完全跨越此空隙，所述空隙因此而电离，从而形成等离子体，其与组织相比具有非常高的体积电阻率。这个区分是重要的，因为其将所施加的能量聚焦于完成rf刀的切杆和组织之间的电路的等离子体。足够缓慢地进入等离子体的任何挥发性材料被汽化并且因此感知为解剖组织的等离子体。
gb2486343公开了一种用于电外科设备的控制系统，所述电外科设备既输送rf能量又输送微波能量以治疗生物组织。基于传送到探针的rf能量的采样电压和电流信息以及传送到探针和从探针传送的微波能量的采样前向和反射功率信息，来设置输送到探针的rf能量和微波能量两者的能量输送曲线。
gb2522533公开了一种用于电外科发生器的隔离电路，所述电外科发生器被布置成产生射频(rf)能量和微波能量以治疗生物组织。所述隔离电路在微波通道与信号组合器之间的接合点处包括可调谐波导隔离器，并且可以在信号组合器的接地导体与波导隔离器的传导输入部段之间包括电容结构，以抑制rf能量的耦合和微波能量的泄漏。
技术实现要素：
总的来说，本发明提供了一种组合式隔离器-双工器装置，所述组合式隔离器-双工器装置用于经由共同信号路径将从单独的源获得的射频(rf)电磁(em)能量和微波em能量提供给探针。本发明将所有必需的部件组合成单个单元，以将微波通道和rf通道彼此隔离，同时提供高耐受电压(例如，大于10kv)。
本发明通过提供必要的隔离(其中多个串联连接的电容结构与辅助减少跨越隔离屏障的电容耦合的波导隔离器一体地形成)，而对gb2522533中公开的结构进行了改进。
根据本发明，提供了一种组合式隔离器-双工器装置，其包括：组合电路，其具有可连接以从射频(rf)通道接收具有第一频率的rf电磁(em)辐射的第一输入端、可连接以从微波通道接收具有比所述第一频率高的第二频率的微波em辐射的第二输入端和与所述第一输入端和所述第二输入端通信以将rfem辐射和微波em辐射传送到共同信号路径的输出端；以及波导隔离器，其被连接以将所述微波通道与所述rfem辐射隔离，其中所述波导隔离器包括：传导输入部段；传导输出部段；传导中间部段，所述中间部段具有与所述输入部段配合的第一端和与所述输出部段配合的第二端；第一dc隔离屏障，其布置在所述输入部段与所述中间部段之间；以及第二dc隔离屏障，其布置在所述中间部段与所述输出部段之间，其中所述输入部段、所述中间部段和所述输出部段一起包封波导空腔，其中来自所述组合电路的所述输出端包括信号导体和接地导体，并且其中所述第一dc隔离屏障和所述第二dc隔离屏障在来自所述组合电路的输出端的接地导体与所述波导隔离器的传导输入部段之间提供一对串联连接的电容结构，所述电容结构被布置成抑制rfem能量的耦合和微波em能量的泄漏。
通过在波导隔离器本身的结构内提供多个(优选地为一对)串联连接的电容元件，可以减小总电容，而不会干扰微波向输出端的传输，或者不会使微波辐射或泄漏达到不可接受的水平。
所述输入部段、所述中间部段和所述输出部段可以沿着纵向方向依序设置，其中所述中间部段在所述第一dc隔离屏障处在所述纵向方向上与所述输入部段重叠，并且其中所述中间部段在所述第二dc隔离屏障处在所述纵向方向上与所述输出部段重叠。这些重叠区域提供两个电容部段。所述中间部段被布置成确保两个电容部段在中间部段中在微波频率下以半波导波长的倍数或大约该倍数间隔开，使得由于部段之间的接合点处的直径变化而引起的微波能量的反射被消除。中间部段分别与输入部段和输出部段之间的纵向重叠的程度可以通过一对间隔件元件来限制。这可以是安装在所述中间部段与所述输入部段之间的第一间隔件元件，以及安装在所述中间部段与所述输出部段之间的第二间隔件元件。所述间隔件可以安装在形成在所述输入部段和所述输出部段中的凹部内，使得它们邻接中间部段的面对的边缘。所述间隔件元件可以由绝缘塑料形成，诸如
内部部段和外部部段与中间部段的相应部分之间的重叠的纵向长度在微波频率下优选地为或约为奇数个四分之一波长(通常为四分之一波长)。
绝缘层可以设置在每个重叠区域中，即在第一dc隔离屏障处设置在输入部段与中间部段之间，以及在第二dc隔离屏障处设置在输出部段与中间部段之间。可以提供共同绝缘层，即，一个绝缘层可以在所述重叠区域之间延伸，例如在中间部段下方延伸或延伸穿过中间部段。
绝缘层可以具有被选择为尽可能薄以最小化微波泄漏的厚度(例如，如果波导是圆柱形的，则为径向厚度)。通过提供一对电容结构，可以将该层做得更薄而不将电容增加到不希望的水平。
连接到共同信号路径的输出端可以包括安装在波导隔离器的输出部段上的输出探针。输出探针可以具有第一耦合导体，所述第一耦合导体延伸到波导隔离器中以从其中耦合微波em能量。类似地，第二输入端可以包括安装在波导隔离器的输入部段上的输入探针。输入探针可以具有第二耦合导体，所述第二耦合导体延伸到波导隔离器中以将微波em能量耦合到空腔中。所述第一耦合导体和所述第二耦合导体可以在与所述纵向方向正交的方向上延伸。在一个示例中，第一耦合导体和第二耦合导体可以从相对的方向延伸到波导空腔中。
第一输入端可以包括安装在波导隔离器上的rf连接器。所述rf连接器可以具有信号导体，所述信号导体延伸到波导空腔中以电接触输出探针的耦合导体。所述信号导体可以在纵向方向上延伸，并且可以被定位成与波导隔离器内的微波em能量的等电位基本对齐。以这种方式对齐信号导体意味着可能泄漏到rf连接器中的微波em能量的量最小。
然而，作为泄漏的进一步屏障，rf连接器可以包括同轴滤波器，所述同轴滤波器连接到输出部段并且被配置成抑制微波em能量通过rf连接器的信号导体从波导隔离器中泄漏出。所述同轴滤波器可以包括两部段凹入同轴滤波器。
波导隔离器可以包括可调阻抗。例如，它可以包括多根调谐短截线，所述多根调谐短截线沿着纵向方向可调整地插入到波导空腔中。所述多根调谐短截线可以包括：第一调谐短截线，其可插入穿过输入部段的端面；以及第二调谐短截线，其可插入穿过输出部段的端面。如果波导空腔是圆柱形的，则调谐短截线可能位于圆柱体的轴线上。
在另一方面，本发明可以提供一种用于切除生物组织的电外科设备，所述设备包括：射频(rf)信号发生器，其用于产生具有第一频率的rf电磁(em)辐射；微波信号发生器，其用于产生具有比第一频率高的第二频率的微波em辐射；探针，其被布置成从其远端单独地或同时输送rfem辐射和微波em辐射；以及馈送结构，其用于将rfem辐射和微波em辐射传送到探针，所述馈送结构包括用于将探针连接到rf信号发生器的rf通道和用于将探针连接到微波信号发生器的微波通道，其中rf通道和微波通道包括将分别来自rf信号发生器和微波信号发生器的信号路径物理地分开，其中所述馈送结构包括隔离器-双工器装置，所述隔离器-双工器装置包括：组合电路，所述组合电路具有被连接以从rf通道接收rfem辐射的第一输入端、被连接以从微波通道接收微波em辐射的第二输入端和与第一输入端和第二输入端通信以沿着共同信号路径将rfem辐射和微波em辐射传送到探针的输出端；以及波导隔离器，其被连接以将微波通道与rfem辐射隔离，其中所述波导隔离器包括：传导输入部段；传导输出部段；传导中间部段，所述中间部段具有与输入部段配合的第一端和与输出部段配合的第二端，第一dc隔离屏障，其布置在输入部段与中间部段之间；和第二dc隔离屏障，其布置在中间部段与输出部段之间，其中所述输入部段、所述中间部段和所述输出部段一起包封波导空腔，其中来自组合电路的输出端包括信号导体和接地导体，并且其中所述第一dc隔离屏障和所述第二dc隔离屏障在来自组合电路的输出端的接地导体与波导隔离器的传导输入部段之间提供一对串联连接的电容结构，所述电容结构被布置成抑制rfem能量的耦合和微波em能量的泄漏。
本发明的这个方面可以与以下参考图1的电外科设备400描述的任何或所有部件(单独地或以任何组合)组合。例如，rf通道和微波通道可以包括以下分别描述的rf通道和微波通道的任何或所有部件。微波通道可以包括循环器，用于将微波通道上的反射信号与前向信号分开。在替代实施方案中，定向耦合器可以用于相同目的。实际上，循环器或定向耦合器将表现出不完美的隔离，这进而影响检测器处实际接收到的反射信号。隔离器-双工器装置可以包括可调阻抗，所述可调阻抗能够补偿这种不完美的隔离以及优化波导隔离器中的回程损耗和传输。
所述设备可以被配置成同时(例如，混合或共混模式)供应用于切割和凝结组织的能量，或者可以被独立地操作，从而在手动用户控制下(例如，基于脚踏开关踏板的操作)或者基于来自rf和/或微波通道的测量的相位和/或幅度信息自动地将rf和微波能量输送到探针。系统可以用于执行组织消融和切割。在微波和rf能量被同时输送的情况下，返回到相应发生器的rf和微波能量中的任一者或两者都可以在高功率或低功率下用来控制能量输送曲线。在这种情况下，可能希望在能量输送格式被脉冲化的关闭时间期间进行测量。
探针的远端可以包括双极发射结构，所述双极发射结构包括在空间上与第二导体分开的第一导体，第一导体和第二导体被布置成分别用作：有源电极和返回电极，以通过传导来传送rfem辐射；以及天线或变压器，以促进微波em能量的辐射。因此，系统可以被布置成提供用于rf能量的本地返回路径。例如，rf能量可以通过传导而传递通过将导体分开的组织，或者可以在导体附近产生等离子体以提供局部返回路径。可以通过将第一导体和第二导体分开的固定介电材料来进行rf组织切割，其中介电材料的厚度较小，即小于1mm，而介电常数较高，即大于空气的介电常数。
本发明可能特别适用于胃肠道(gi)手术，例如去除肠上的息肉，即用于内窥镜下粘膜下切除术。本发明还可以适用于精确的内窥镜手术，即精确的内窥镜切除术，并且可以用于耳、鼻和咽喉手术以及肝脏切除术。
除非上下文另有指示，否则术语“传导”在本文中意指电气传导。
第一频率可以是在10khz至300mhz范围内的稳定的固定频率，而第二频率可以是在300mhz至100ghz范围内的稳定的固定频率。第一频率应当高至足以防止能量引起神经刺激并且低至足以防止能量引起组织黄化或不必要的热裕度或对组织结构的破坏。第一频率的优选点频包括以下各者中的任何一者或多者：100khz、250khz、400khz、500khz、1mhz、5mhz。第二频率的优选点频包括915mhz、2.45ghz、5.8ghz、14.5ghz、24ghz。优选地，第二频率比第一频率高至少一个数量级(即，至少10倍)。
附图说明
以下参考附图详细地描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是其中可以使用本发明的电外科设备的整体示意性系统图；
图2是可以在电外科设备中使用的隔离电路的已知示例的示意图；
图3是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的传导部件的示意性剖视图；
图4是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器中的绝缘部件的示意性剖视图；
图5是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的rf双工器配置的示意性剖视图；
图6是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的模拟模型的剖视图；
图7是示出使用作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的模拟模型获得的预测的传输和反射参数的曲线图；
图8是安装在作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的rf端口处的微波滤波器的模拟模型的剖视图；和
图9是示出使用图8的模拟模型获得的微波滤波器的预测的传输和反射参数的曲线图。
具体实施方式
背景
图1示出了电外科设备400的示意图，诸如gb2486343中公开的电外科设备，其对于理解本发明是有用的。所述设备包括rf通道和微波通道。所述rf通道包含用于产生并控制适合于治疗(例如，切割或干燥)生物组织的功率水平下的rf频率电磁信号的部件。所述微波通道包含用于产生并控制适合于治疗(例如，凝结或消融)生物组织的功率水平下的微波频率电磁信号的部件。
所述微波通道具有微波频率源402，其后是功率分配器424(例如3db功率分配器)，所述功率分配器424将来自源402的信号分成两个分支。来自功率分配器424的一个分支形成微波通道，所述微波通道具有：功率控制模块，所述功率控制模块包括由控制器406经由控制信号v10控制的可变衰减器404和由控制器406经由控制信号v11控制的信号调制器408；以及放大器模块，其包括驱动放大器410和功率放大器412，用于产生前向微波em辐射以用于以适合于治疗的功率水平从探针420输送。在放大器模块之后，微波通道以以下各者继续：微波信号耦合模块(其形成微波信号检测器的一部分)，其包括循环器416，所述循环器416连接沿着其第一端口和第二端口之间的路径将微波em能量从源输送到探针；在循环器416的第一端口处的前向耦合器414；以及在循环器416的第三端口处的反射式耦合器418。在通过反射式耦合器之后，来自第三端口的微波em能量在功率转储负载422中被吸收。微波信号耦合模块还包括由控制器406经由控制信号v12操作的开关415，所述开关415用于将前向耦合信号或反射式耦合信号连接到外差接收器以进行检测。
来自功率分配器424的另一个分支形成测量通道。所述测量通道绕过微波通道上的放大线路，并且因此被布置成从探针输送低功率信号。由控制器406经由控制信号v13控制的主通道选择开关426可操作以从微波通道或测量通道中选择信号来输送到探针。高带通滤波器427连接在主通道选择开关426和探针420之间，以保护微波信号发生器免受低频rf信号的影响。
测量通道包括布置成检测从探针反射的功率的相位和幅度的部件，所述部件可以产生关于材料(例如存在于探针远端处的生物组织)的信息。测量通道包括循环器428，所述循环器428被连接以沿着其第一端口和第二端口之间的路径将微波em能量从源402输送到探针。从探针返回的反射信号被引导到循环器428的第三端口。循环器428用于在前向信号和反射信号之间提供隔离，以促进精确测量。但是，由于循环器没有在其第一端口和第三端口之间提供完全隔离，即前向信号的一些可能会穿透到第三端口并干扰反射信号，因此可以使用载波消除电路，所述载波消除电路将前向信号的一部分(来自前向耦合器430)注回到从第三端口出来的信号中(经由注入耦合器432)。载波消除电路包括相位调整器434以确保注入的部分与从第一端口穿透到第三端口中的任何信号异相180°以便将其消除。载波消除电路还包括信号衰减器436以确保注入部分的幅度与任何穿透信号相同。
为了补偿前向信号中的任何漂移，在测量通道上提供前向耦合器438。前向耦合器438的耦合输出和来自循环器428的第三端口的反射信号连接到开关440的相应输入端子，所述开关440由控制器406经由控制信号v14进行操作以将耦合的前向信号或反射信号连接到外差接收器以进行检测。
开关440的输出(即，来自测量通道的输出)和开关415的输出(即，来自微波通道的输出)连接到次级通道选择开关442的相应输入端子，所述次级通道选择开关442可通过控制器406经由控制信号v15结合主通道选择开关操作，以确保当测量通道向探针提供能量时测量通道的输出连接到外差接收器，并且确保当微波通道向探针提供能量时微波通道的输出连接到外差接收器。
外差接收器用于从次级通道选择开关442输出的信号中提取相位和幅度信息。该系统中示出了单外差接收器，但如有必要，可以使用双外差接收器(包含两个本地振荡器和混频器)以在信号进入控制器之前将源频率混合两次。外差接收器包括本地振荡器444和混频器448，用于将次级通道选择开关442输出的信号进行混频。选择本地振荡器信号的频率，使得来自混频器448的输出处于适合于在控制器406中接收的中频。提供带通滤波器446、450以保护本地振荡器444和控制器406免受高频微波信号的影响。
控制器406接收外差接收器的输出，并从它确定(例如提取)指示微波或测量通道上的前向和/或反射信号的相位和幅度的信息。该信息可以用于控制微波通道上的高功率微波em辐射或rf通道上的高功率rfem辐射的输送。如上所讨论的，用户可以经由用户界面452与控制器406交互。
图1所示的rf通道包括连接到门驱动器456的rf频率源454，所述门驱动器456由控制器406经由控制信号v16控制。门驱动器456提供用于rf放大器458的操作信号，所述rf放大器458是半桥装置。所述半桥装置的漏极电压可经由可变dc电源460进行控制。输出变压器462将所产生的rf信号传输到线上以输送到探针420。低通、带通、带阻或陷波滤波器464连接在该线上，以保护rf信号发生器免受高频微波信号的影响。
变流器466连接在rf通道上以测量输送到组织负载的电流。分压器468(其可以从输出变压器分接出)用于测量电压。来自分压器468和变流器466的输出信号(即指示电压和电流的电压输出)在通过相应的缓冲放大器470、472和电压箝位齐纳二极管474、476、478、480进行调节之后直接连接到控制器406(在图1中示为信号b和c)。
为了获得相位信息，电压和电流信号(b和c)还连接到相位比较器482(例如，exor门)，相位比较器482的输出电压由rc电路484积分以产生电压输出(在图1中示为a)，所述电压输出与电压和电流波形之间的相位差成比例。该电压输出(信号a)直接连接到控制器406。
微波/测量通道和rf通道连接到信号组合器114，信号组合器114将两种类型的信号单独地或同时沿着电缆组件116传送到探针420，所述信号从探针420输送(例如辐射)到患者的生物组织中。
波导隔离器(未示出)可以设置在微波通道和信号组合器之间的接合点处。波导隔离器可以被配置成执行三个功能：(i)允许非常高的微波功率(例如，大于10w)通过；(ii)阻止rf功率的通过；以及(iii)提供高耐受电压(例如，大于10kv)。也可以在波导隔离器处(例如内部)或邻近波导隔离器处提供电容结构(也称为dc断路器)。电容结构的目的是减少跨越隔离屏障的电容耦合。
图2是如gb2522533所公开的隔离电路的示意图，其也对理解本发明有用。隔离电路形成用于将来自rf信号发生器218的rfem辐射和来自微波信号发生器220的微波辐射传送到探针的馈送结构的一部分。探针(未示出)可连接到设置在壳体226中的输出端口228。绝缘套筒229设置在壳体的输出端口228处，以防止用于将壳体的接地外壳与连接到输出端口228的浮动部件连接的电流路径。
馈送结构包括具有用于传送rfem辐射的rf信号路径212、214的rf通道和具有用于传送微波em辐射的微波信号路径210的微波通道。rfem辐射和微波辐射的信号路径彼此物理地分开。rf信号发生器经由电压变压器216连接到rf信号路径212、214。变压器216的次级线圈(即，在装置的探针侧上)是浮动的，因此在患者与rf信号发生器218之间没有直流路径。这意味着rf信号路径212、214的信号导体212和接地导体214两者都是浮动的。
隔离电路包括波导隔离器600，波导隔离器600的绝缘间隙被配置成提供必要水平的dc隔离，同时还具有在微波能量的频率处足够低的电容电抗，以防止微波能量在间隙处泄漏。间隙可以是0.6mm或更大，例如0.75mm。rf能量无法耦合在隔离器的两端之间，因为管的直径会在rf频率下产生与每个探针串联的很大的电感。
隔离电路具有与波导隔离器600集成在一起的组合电路。承载rf信号的信号导体212和接地导体214连接到同轴rf连接器602(rf馈送)，所述同轴rf连接器602将rf信号引入到波导隔离器600中，在波导隔离器600中所述rf信号从输出端口232朝着探针传送出去。
隔离间隙603被布置成防止rf信号耦合回到输入端口230。通过将内部传导杆小心地放置在波导隔离器内，防止微波能量耦合到rf连接器602中。
调谐单元被结合到波导隔离器600中，以便减少部件的线路的回程损耗。调谐单元包括三根短截线231，所述短截线231可以可调整地插入(例如，拧入)空腔主体中。
另外，rf通道具有可调电抗217，可调电抗217可在控制信号c1的控制下操作以适应(例如补偿)由与发生器一起使用的电缆长度不同引起的电容变化。可调电抗217可以包括与rf通道并联或串联连接的开关或电子可调电容器或电感器中的一者或多者。
增强型组合式隔离器-双工器
本发明提供了一种组合式隔离器-双工器，其对以上参考图2所讨论的隔离电路进行了改进。本发明的实施方案可以提供一种组合式隔离器-双工器，所述组合式隔离器-双工器适合与电外科发生器一起使用，所述电外科发生器产生频率大不相同的(例如在5.8ghz和400khz下)rf波形和微波波形，以使得电外科器械能够使用从公共电源线接收的能量来提供不同形式的治疗。
下面参考图3至图5描述组合式隔离器-双工器的实施方案。然后参考图6至图9描述其通过模拟(例如，使用cst模拟软件)获得的性能的各个方面。
组合式隔离器-双工器操作来防止高压rf到达微波源，其在该处其可能造成损坏，并防止微波功率沿着电缆行进到达rf源，其在该处可能辐射。在每种情况下，泄漏也将导致所产生的功率的浪费，这应该避免。
组合式隔离器-双工器提供了一种波导隔离器，所述波导隔离器在将微波源连接到探针的内部导体和外部导体两者中均具有dc断路器。所述dc断路器操作来防止高压rf到达微波源，而不干扰微波到探针的传输，或者不允许微波通过dc断路器辐射。
在单独使用波导隔离器的情况下，外部导体中的dc断路器的电容可能过高而无法有效运行。该问题通过除波导隔离器之外还提供同轴隔离器或提供集成在波导隔离器中的同轴隔离器以有效地将串联电容连接到外部导体而不会妨碍微波的传输或者不允许辐射而得到解决。
图3是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器100的示意性剖视图。所述组合式隔离器-双工器包括沿着其纵向轴线的圆柱形波导隔离器
在图3中，仅描绘了隔离器的导电元件。
组合式隔离器-双工器100的圆柱形波导隔离器由一对端盖102、106形成，该对端盖由套环104分开。
波导隔离器具有由输入端盖102形成的输入端，所述输入端盖102被布置成在输入端口112处接收微波馈送。输入端口112布置在输入端盖102的周向侧壁上。输入端口112适于接收同轴电缆，并且包括穿过端盖的周向壁的通道，以允许连接的同轴电缆(未示出)的内部导体径向地延伸到由波导隔离器限定的圆柱形空间中。圆柱形空间可以填充有绝缘介电材料(例如，空气)。
波导隔离器具有由输出端盖106形成的输出端，所述输出端盖106可经由输出端口116连接到输出线。输出端口116布置在输出端盖106的周向侧壁上。输出端口116适于接收同轴电缆，并且包括穿过端盖的周向壁的通道，以允许连接的同轴电缆(未示出)的内部导体径向地延伸到由波导隔离器限定的圆柱形空间中。如以下更详细讨论的，内部导体可以形成rf双工器结构的一部分，用于将rf信号传输到连接到输出端口116的同轴电缆中。凸出到圆柱形波导空腔中的同轴电缆的内部导体因此通过空腔中的介电材料彼此绝缘。
在该示例中，输入端口112和输出端口116位于由波导形成的圆柱体的相对侧上。这可能有利于适合与其他部件的连接，但不是必需的。在下面讨论的模拟中，例如，输入端口和输出端口位于圆柱体的同一侧。
输入端盖102和输出端盖106是具有一个封闭的轴向端和一个敞开的轴向端的圆柱形元件。端盖102、106布置成它们的轴线对齐并且它们的敞开的轴向端彼此面对。输入端盖102被配置成与连接到输入端口112的同轴电缆的外部导体电通信。输出端盖106被配置成与连接到输出端口116的同轴电缆的外部导体电通信。端盖102、106沿着圆柱体的轴线彼此物理地分开。通过导电套环104和一对绝缘间隔件126、128(见图4)来保持分开，该对绝缘间隔件126、128分别位于形成在输入端盖102和输出端盖106的敞开端处的对应的圆周凹口108、110中。
套环104覆盖在端盖102、106的敞开的轴向端之间的轴向间隙，以便完成圆柱形波导空腔。为了使端盖彼此绝缘(并因此使连接到其上的同轴电缆的外部导体隔离)，在两个端盖的远端部分的外表面周围设置绝缘层127(参见图4)，以便在端盖102、106的外表面与套环104的内表面之间的它们重叠的区域中的周向间隙中提供介电(电绝缘)屏障。
通过这种布置，波导隔离器包括沿着圆柱体的轴线串联布置的两个绝缘部分。在输入端盖102与套环104之间的重叠处出现第一绝缘部分。在输出端盖106与套环104之间的重叠处出现第二绝缘部分。通过这种结构，可以减小两个端盖之间的电容，使得该结构的电容小于仅有一个绝缘部分时所看到的电容。电容的减小不会导致微波泄漏的显著增加，因为从波导耦合的大多数功率都因空腔端部的尖角对波的传播产生高阻抗而被反射了。
绝缘层127可以由任何合适的材料提供。在一个示例中，绝缘层127可以包括多匝(例如2匝、3匝或更多匝)
绝缘间隔件126、128可以各自包括刚性绝缘环，例如由
如上所述，绝缘层127位于端盖102、106的外表面与套环104的内表面之间的它们重叠的区域中的周向间隙中。所述间隙可以具有41.05mm的平均直径和0.15mm的径向厚度。可以用绝缘层127的介电材料部分或完全填充的每个间隙的电容可以在110pf左右。这意味着两个串联的间隙提供约55pf的电容。
端盖102、106中的每一个具有形成在其封闭的轴向端中的通孔。所述通孔可以相对于圆柱体的轴线彼此对称地布置。在该示例中，所述通孔位于圆柱体的轴线上。因此，输入端盖102具有形成在其封闭的轴向端中央的通孔114。输出端盖106具有形成在其封闭的轴向端中央的通孔118。通孔114、118被布置成接纳导电销或螺钉元件，所述导电销或螺钉元件选择性地并且可控制地插入空腔中以实现调谐，即，使组合式隔离器-双工器的插入损耗和回程损耗得到优化。
在图3所示的示例中，输出端盖包括三个附加孔120、122、124。这些孔与双工器功能有关，这在图5中更详细地示出。
图5示出了输出端盖106的剖视图。同轴电缆142使用合适的连接器138连接到输出端口116。同轴电缆142的内部导体140凸出到空腔中。对于内部导体140延伸到空腔中的长度的部分来说，内部导体140仍然被来自同轴电缆的介电材料141包围。
通过将rf连接元件132垂直地引入穿过输出端盖106的封闭端面中的孔120来提供装置的双工器功能。孔120直接与输出同轴电缆的内部导体140成一直线，使得其沿其长度在途中与内部导体140接触。如果插入rf连接元件132，以便在沿中心导体的正确距离处接触，则不会有微波功率耦合到rf连接元件132。该连接对与微波连接器的匹配稍有影响，但是可以通过改变内部导体140的长度来恢复对微波能量的良好匹配。
rf连接线132通过连接器主体130连接到输出端盖106，所述连接器主体130通过分别接纳在输出端盖106的封闭端面中形成的一对孔122、124中的一对螺钉134、136固定到输出端盖106。连接器主体130包括用于阻挡微波能量的微波滤波器131。在该示例中，微波滤波器131是连接到输出端盖的端部的圆柱形同轴滤波器。圆柱形同轴滤波器可以是两部段凹入同轴滤波器，例如被设计成强烈抑制5.8ghz处及其附近的频率。微波滤波器131被放置在距输出端盖106的内端壁一定距离处，使得在微波频率下，rf连接元件132表现为与端壁短路，以防止微波能量经由rf连接元件132离开。
rf信号(例如，如图2所示，来自输入线212、214)被施加在rf连接元件132的远端133与滤波器的导电主体130之间，导电主体130进而电连接到输出端盖106的外表面。如果方便的话，可以通过标准同轴连接器连接rf信号。
rf连接元件132延伸以接触输出同轴电缆的内部导体140(其可以采取微波连接器的形式)。rf连接元件132可以焊接到内部导体140。
rf连接元件132通过例如由ptfe等制成的绝缘管146(参见图8)与输出部段和其他传导滤波器部分绝缘。rf连接元件132可以是刚性销结构。在一个示例中，可以通过从短长度的半刚性同轴电缆上剥下外部铜套来构造rf连接元件132和绝缘管146。
图6是作为本发明的实施方案的组合式隔离器-双工器的模拟模型的剖视图。已经描述的特征被赋予相同的附图标记，并且不再讨论。为了清楚起见，除了三个连接器销132、140、154和两个调谐元件150、152之外，图6仅示出了组合式隔离器-双工器的介电(即电绝缘)部件。这些介电部件包括波导空腔内部的空气148和微波滤波器内部的空气144。它们还包括以上讨论的介电间隔件126、128和绝缘层127。在也存在以上参考图3和图5讨论的传导部件的基础上进行模拟。
装置上有三个端口。端口1是组合的rf/微波输出端口。端口2是rf连接线132，其在400khz下引入rf能量。端口3是微波入口，其引入微波能量(例如，在优选示例中是在5.8ghz下)。在圆柱体同一侧上的两个微波端口(端口1和端口3)下进行模拟。
图7是示出使用图6的组合式隔离器-双工器的模拟模型在4.8ghz和6.8ghz之间获得的预测的传输和反射参数的曲线图。曲线图上的插入表给出了5.8ghz下每个参数的值。
线180、182示出了从输入端口和输出端口到rf端口(s21、s23)的耦合在从5.78ghz至5.82ghz的范围内小于-60db。
线186示出了在5.8ghz下，输入端口(s33)处的匹配接近-20db。
线188示出了在5.8ghz下，输出端口(s11)处的匹配也接近-20db。
线184示出了在5.8ghz下，输入端口和输出端口(s31、s13)之间的损耗为-0.19db。
图8是安装在rf端口处的微波滤波器131的模拟模型的剖视图。滤波器具有圆柱形形状。rf连接元件132沿着圆柱体的轴线延伸。rf连接元件132被例如由ptfe制成的绝缘套筒146包围。滤波器131包括导电主体130(为了清楚起见，在图8中省略，但是在图3中示出)，所述导电主体130限定一对轴向分开的充气空腔144，所述充气空腔144用作用于抑制或阻止微波能量通过的扼流圈。从同轴传输线到其封闭端，每个充气空腔在5.8ghz下长四分之一波长。四分之一波长空腔在同轴传输线的外部导体中呈现开路，从而阻止5.8ghz信号通过。空腔的间隔被布置成使得每个空腔增强另一空腔的效果。在400khz下，滤波器不起作用，因此不会妨碍rf信号输入。
图9是示出使用图8的模拟模型在从3ghz至8.5ghz下获得的微波滤波器的预测的传输和反射参数的曲线图。
线160示出了通过滤波器的传输(s12)，而线162示出了来自滤波器的反射(s22)。s21和s11的线与s12和s22的线相同。
在5.8ghz下，预测的插入损耗非常高(-49.5db)，而反射损耗非常低(-0.0102db)。该性能为每一端的负荷为50ω。实际上，两端可能会有更高的阻抗负荷，使得实际性能与模拟会略有不同。例如，倾斜的形状和频率可能会变化，其取决于两端的确切位置，并且由于额外的阻抗失配，插入损耗可能会更高。
以下讨论总结了在上述组合式隔离器-双工器的实际示例上执行的测量结果。
如图6所述，在5.6ghz至6ghz的频率范围内，在端口3(输入)和端口1(输出)之间进行了测量。感兴趣的测量是在5.8ghz(这是微波能量的优选频率)下的反射(s33)、传输(s13)和损耗。
使用微波连接器将同轴电缆连接到输入端口和输出端口。在该示例中，连接器是amphenolp/n172224部件的调适版本。这些连接器通过切下电介质进行调适使得1mm凸出到波导空腔中，以及通过切下突出的引脚(上述内部导体)进行调适使得它们从连接器凸缘延伸20mm。预计销的优选长度将在17.5mm区域中，因此该技术提供了可以根据需要进行修整的超长销。
通过这种设置并通过调整每个端盖中的螺钉调谐器，可以获得-34db的回程损耗和-0.5db的插入损耗。
对在波导的相对侧上具有微波端口的装置重复进行该实验。发现在这种情况下，表现有很大不同。这意味着截止较高阶模式在耦合中起着重要作用，因为可以在波导中传播的基本te01模式应该示出在圆柱体同一侧或相对侧上的连接器之间的耦合没有差异。然而，利用本发明的布置，仍然有可能调谐组合式隔离器-双工器以获得良好的性能。
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