微波设备和方法

专利名称：微波设备和方法
技术领域：
本发明涉及微波设备和方法，例如，用于以微波频率测量正向和反射功率的设备和方法，包括测量正向或反射功率的微波功率生成器系统和方法。所述设备和方法可应用于工业和医疗微波应用。
背景技术：
公知的微波生成器系统的反射功率测量典型地被用作用于确定所施加的功率水平的间接机制(假设被沉积在目标材料中的能量不能被容易地直接获得)。在反射功率的预定水平被超过的情况下，该生成器系统能够被快速且安全地关闭，从而避免设备的损坏并避免因系统误读而导致的错误的设备操作。在医疗应用中，反射功率的测量能够用作用于检测设备故障、连接问题和一些形式的误用、并对上述问题进行反应的安全机制。反射测量的优点在于，能够在不需要用户检查治疗位置的情况下实时地监控盲治疗(blind treatment),这能够导致被管理的额外功率，而这会无意地导致不利的事件。相反地，完全胜任的医疗设备会偶然被误解释为故障，从而导致用户放弃治疗，进而导致对病人的不必要的风险和痛苦、以及需要重新安排治疗。在公知的设备中，正向和反向功率电路用于测量被传递给负载部件和从该负载部件反射的能量，其中该负载部件被连接到微波生成器。测量的精度是重要的，因为其能够被用作安全监控或者用于保护生成器中的放大器电路免于遭受能够损坏硬件的高水平的反射功率。就反射一部分入射微波能量的负载部件而言，电压驻波被建立，该电压驻波的幅度随着与不匹配部件的距离(电相位长度)而正弦地改变。传输线上的电压最大值(波腹)与 邻近的电压最小值(波节)(node)的比率与反射的能量和传递的能量的比例相关，而且被称为电压驻波比(VSWR)。典型地，使用矢量(幅度和相位)网络测量设备来设计和测量微波部件，其中使用基于尖端软件的校准技术来校准不匹配和测量电缆相位效应。以高精度的50 Ω参考标准为对照来设计和测量这些部件。典型地，部件将与参考标准稍微不同，从而呈现将导致一些微小程度的VSWR的不匹配。该问题仅在部件匹配差的情况下才会变得明显。就医疗应用而言，对系统匹配的应用器(applicator)通常比-20dB (VSffR I. 22:1)的典型工业部件回波损耗差，这会导致明显的VSWR水平。对于采用单操作频率的微波系统而言，反向功率测量电路将仅测量VSWR正弦曲线的单个点。由于VSWR正弦曲线随着距离而改变，路径长度的变化将导致反射功率测量遵循VSWR正弦曲线的轮廓。对于仅在相位长度方面不同的两个相同的不匹配部件而言，该效应能够导致反向功率测量电路测量从VSWR最大值到VSWR最小值的任意位置。在依靠测量反向功率以指示性能的系统中，其表示模糊且不可靠的测量。在公知的生成器系统中，通常使用检波二极管来测量微波功率，该检波二极管提供电压相关的功率测量。这些系统通过使用矢量(幅度和相位)测试设备而根据以精确50 Ω阻抗参考标准为对照所设计和测量的部件的组合来构建，然而期望最终的系统能够在不参考任何形式的原位校准的情况下进行关键测量。相反地，系统的操作特性基于以参考标准为对照而预定的单独部件的性质、根据所测量的反射信号(通常在单个位置和频率下测量)来确定。校准的省略强调了改变和电缆相位长度对功率 测量的影响。使用连续波(CW)微波生成器来生成微波信号也是常见的事。由于使用了仅能够以固定频率提供能量的基于磁控管的技术，这种CW生成器通常局限于以单个固定频点(例如，2. 45GHz)来生成微波能量。设备物理参数的变化结合CW操作以及校准的缺乏能够导致相当大的测量变化。在公知的系统中被忽视的另一因素是级联不匹配效应。例如，针对50 Ω终端所设计的部件可以被连接到其他不匹配的部件，而且互联的电相位长度(诸如应用器的电缆或相位长度)可以被忽略或者是未知的，从而导致不匹配的不确定性。其通常是在微波测量中被忽视的误差源。设备(尤其是医疗设备)的设计和校准应当考虑测量的不确定性，以证明其能力。应当理解的是，忽略VSWR和驻波对反射功率测量的上述影响，假设负载具有恒定值，则在不考虑电缆长度的微小变化的情况下，被传递给负载的总体功率应当保持相对恒定。使用被连接到检波二极管的定向耦合器来测量反向功率是公知的。VSWR通过建立所测量的正向与反向功率的比率来计算。在大部分系统中，在单频点下测量反向功率驻波。在该单频点测量下驻波的影响是不明显的，直到诸如匹配或相位长度之类的参数被改变(通常伴随部件制造公差而发生)。在功率检波电路中使用耦合器或依靠阻抗的测量部件的局限性在于，这些设备通常适用于以匹配的终端为对照的测量。就定向耦合器而言，耦合因子和定向性将受到在该设备的端口处所呈现的阻抗的影响。使用耦合器或阻抗敏感部件(例如，耦合器/隔离器)的任意其他布置的检波电路的性能将受到端口所呈现的变化阻抗的影响。该特性在工业应用中是可接受的，其中在工业应用中，待测设备(DUT)典型地具有-14dB或更好(VSWR 2:1)的匹配。在医疗应用中，应用器或天线匹配能够明显偏离50 Ω，而且依靠应用而可以从_20dB (VSffR 1.22:1)变化到-6(^ (VSffR 3. 01:1)或更差。在治疗期间，应用器或天线的有效阻抗也可以随着组织性质的变化而变化，这需要能够适应大范围的阻抗变化的测量系统。在反射功率测量中这尤其关键，其中在反射功率测量中，医疗系统已被配置成使用标准50 Ω参考部件来测量反射功率。当被连接到新阻抗时，该设置将继续使所有测量参考50 Ω参考标准，从而导致在阻抗不同于50 Ω的情况下，反射功率测量的不确定性和不可靠性。该阻抗相关的测量局限性也会遭受相位的影响，其中相位的影响可以使用本文描述的扫描源或通过采取机械或电气地扫描相位产生的相位变化的平均测量的任意其他方法来被降低。阻抗敏感型测量变化对其自身的影响向功率测量中添加了进一步独立的误差源。US 20090076492、US 7070595、US 11/479，259 和 US 20080319434 中描述了利用反射功率测量和VSWR的确定来监控和控制用于医疗应用的微波功率的应用的系统。US 20090076492和US 7070595描述了调整系统参数(诸如相位长度)或移动输出频率，以便在所测量的最低VSWR的位置(其被认为是最佳操作布置)处进行操作。然而，该方法的缺点在于整体系统性能没有得到改善，因为天线阻抗保持不变而且被传递的功率保持相同。唯一的改变是VSWR测量的参考点被移动到零点(null point)，其中在该零点处，反射信号相对于所传送的信号而被部分地取消。因此，这种系统提供了反射功率或VSWR的不可靠的测量，这对于安全性关键的用途而言是不能依赖的。

发明内容
在本发明的第一独立方面中，提供一种微波设备，该设备包括微波源，用于提供微波信号，该微波源可连接到负载；控制装置，在操作中被配置成在频率范围内改变由所述源所提供的微波信号的频率；微波检测器，用于执行微波测量，在操作中被布置成接收来自负载的反射和/或到负载的传输，并执行多个测量，每个测量对应于频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率；以及用于根据所述多个测量来确定反射的测量或传输的测量的装置。可以提供多个微波检测器。每 个微波检测器可以包括微波功率检测器。通过在频率范围内改变微波信号的频率，可以获得反射和/或传输的更准确的测量。例如，可以更精确地确定驻波效应。所述控制装置可以被配置成控制由微波源提供的微波信号的至少一个性质，例如，以在负载处的操作或负载的操作上执行。所述控制装置可以被配置成改变微波信号的频率以基本上改变操作的整体性能。该操作可以包括消融(ablation)或其他加热操作,而且例如可以在生物组织上被执行。频率的改变可以包括在最大和最小频率之间改变频率，最大和最小频率是所述范围的最高和最低频率。测量装置可以被配置成一起处理和/或比较多个测量以确定反射的测量。对应于由所述源提供的微波信号的频率范围内的频率的测量的性能可以包括在那个频率下的测量。所述测量可以包括例如以由所述源提供的频率来测量源自微波信号的反射的所接收到的信号和/或与由所述源在那个频率下提供微波信号基本上同时来测量所接收到的信号。每个测量可以包括测量单独的反射或传送的信号，或者可以包括测量与传送的信号(例如，由所述源提供的信号)叠加的反射信号。微波检测器可以被布置成接收反射的辐射和所施加的辐射的叠加。微波检测器可以由例如控制装置进行控制，以执行多个测量。控制装置可以包括控制器，例如被适当地编程的微处理器。控制器可以被配置成通过向微波源或与微波源相关联的部件(例如，振荡器、滤波器或放大器)施加至少一个控制信号来控制微波信号的至少一个性质。可替换地或另外地，控制装置可以包括扫频振荡器和/或放大器。负载可以包括例如应用器或天线。微波源可以经由传输线连接到负载，以便在操作中通过由所述源提供的微波信号和该微波信号的反射的叠加来在传输线中形成电压驻波，电压驻波(VSW)的幅度在VSW周期中、在传输线上的最大和最小位置之间变化，而且频率范围可以是这样的，以便由控制装置在所施加的频率范围内对频率的改变导致在微波检测器的位置处的VSW在至少一个VSW周期中改变。通过在至少一个VSW周期中改变，可以获得反射信号特性的更全面的认知(knowledge)ο
微波源可以经由长度为L的传输线连接到负载，而且频率范围可以具有大于或等于c/2L的宽度，其中c是真空中的光速。已经发现，通过在这种宽度的范围内改变频率，能够测量至少一个VSW周期内的反射信号。频率范围可以具有大于或等于50MHz的宽度，可选地大于或等于200MHz，可选地大于或等于500MHz。那个宽度可以提供VSW或其他驻波或相位效应的精确测量。频率范围可以具有小于或等于1000MHz的宽度，可选地小于或等于500MHz。通过限制频率范围的宽度，可以在一些环境中提供更快和更有效的过程。控制装置可以被配置成通过在频率范围内扫描频率来改变微波信号的频率。所述扫描可以包括基本上连续地改变频率。
控制装置可以被配置成通过控制所述信号具有不同频率的序列来在所施加的频率范围内改变微波辐射的频率。所述序列可以是预定频率的序列和/或根据预定算法确定的频率序列和/或基本上随机的频率序列。控制装置可以控制信号在所述序列中的不同频率之间跳跃。控制装置可以被配置成在频率范围内重复地改变微波信号的频率。例如，控制装置可以在频率范围内重复地扫描频率或者可以重复所述序列。微波信号可以包括脉冲信号或连续波信号。微波信号可以包括脉冲信号，而且控制装置可以被配置成在每个脉冲期间改变所述信号的频率。控制装置可以被配置成在重复周期中的频率范围内改变信号的频率，而且每个周期的持续时间可以小于每个脉冲的持续时间。每个周期的持续时间可以小于或等于每个脉冲的持续时间的十分之一。针对所施加的频率范围而获得的反射的测量可以表示针对所述频率范围而获得的反射的平均或最大量，和/或针对所施加的频率范围的传输的测量可以表示针对所述频率范围而获得的传输的平均或最大量。例如，反射的测量可以表示平均或最大反射功率。微波检测器还可以被配置成测量由所述源提供的微波信号和所述微波信号的反射，并根据所测量的被提供的信号和所测量的反射来确定电压驻波比(VSWR)。微波检测器可以被配置成测量由所述源提供的与反射分离的微波信号，或者可以被配置成测量由所述源提供的微波信号和反射的叠加。对反射的量的测量可以包括针对频率范围的VSWR,例如针对频率范围的最大或平均 VSWR。所述设备可以包括被配置成将反射和/或传输的量的测量与阈值进行比较的监控装置。控制装置可以被配置成依靠所述比较来改变由所述源提供的微波信号的至少一个性质。控制装置可以被配置成依靠所述比较来降低或增加微波信号的功率，和/或依靠所述比较而停止向负载施加微波信号。微波源可以包括内部微波信号生成器和扫频振荡器。扫频振荡器可以具有大于或等于c/2L的扫描带宽。微波源可以包括外部微波振荡器、用于放大来自外部微波振荡器的信号以提供微波信号的放大器、和用于向放大器施加控制信号以控制微波信号的装置。微波检测器可以包括下述至少一者定向耦合器和微波环行器；用于测量从负载朝向生成器返回的反射功率的反向功率微波检测器电路；反向功率测量电路。定向耦合器和微波环行器可以具有至少c/2L的操作带宽。反向功率微波检测器电路可以包括微波检波二极管。反向功率测量电路可以被配置成采样和平均由微波检波二极管提供的依靠频率的电压信号，以降低VSWR对反射功率信号的影响。控制装置可以被配置成提供用于控制被传递的平均功率的脉宽调制(PWM)输出信号。控制装置可以被配置成提供具有小于信号生成器扫频的频率的开启/关闭切换频率的脉宽调制(PWM)输出信号。
微波源可以包括扫频振荡器和微波放大器，而且控制装置被配置成在其操作中的性能特性的线性范围内驱动微波放大器。因此，可以提供具有基本上连续输出功率的增益控制。微波信号生成器可以包括扫频振荡器，该扫频振荡器具有频率扫描调制方案，例如扩频或跳频。微波源可以连接到负载，该负载包括探针或应用器，例如用于向生物组织施加微波辐射的探针或应用器。控制装置可以在操作中被配置成控制所述源以提供微波信号来在生物组织上执行操作，例如消融操作。负载可以被连接到微波耦合器和微波环行器中的至少一者。所述设备还可以包括用于存储将测量值与负载阻抗的值相关联的校准数据的存储装置，而且控制装置可以被配置成基于所述校准数据来向测量施加校正。校准数据的测量值可以包括所传送的信号水平、反射信号水平以及传输与反射之比中的至少一者。控制装置可以在操作中被配置成控制所述源以提供具有1W-300W范围的功率的微波信号。在本发明的另一独立方面中，提供了一种监控微波反射的方法，该方法包括向负载提供微波信号；在频率范围内改变微波信号的频率；执行多个微波测量，每个微波测量位于由所述源提供的微波信号的频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率处，而且每个微波测量包括微波信号的反射和/或传输；以及根据所述多个测量确定反射和/或传输的测量。该方法还可以包括经由传输线向负载提供微波信号，以便在操作中通过由所述源提供的微波信号和该微波信号的反射的叠加来在传输线中形成电压驻波，电压驻波(VSW)的幅度在VSW周期中、在传输线上的最大和最小位置之间变化，而且频率范围可以是这样，以便由控制装置在操作中所施加的频率范围内对频率的改变导致在测量位置处的VSW在至少一个VSW周期中改变。微波信号可以经由长度为L的传输线被提供给负载，而且频率范围可以具有大于或等于c/2L的宽度，其中c是光速。该方法还可以包括通过在频率范围内扫描频率来改变微波信号的频率。该方法还可以包括通过控制所述信号具有不同频率的序列来在所施加的频率范围内改变微波信号的频率。针对所施加的频率范围而获得的反射和/或传输的测量可以表示针对频率范围而获得的反射和/或传输的平均或最大量。该方法还可以包括测量由所述源提供的微波信号，测量所述微波信号的反射，并根据所测量的被提供的信号和所测量的反射来确定电压驻波比(VSWR)。反射的量的测量可以包括针对频率范围的VSWR，例如针对频率范围的最大或平均VSWR。该方法还可以包括将反射和/或传输的量的测量与阈值进行比较，并依靠所述比较来改变由所述源提供的微波信号的至少一个性质。该方法还可以包括用多个参考负载来替换所述负载并执行针对每个参考负载的校准测量，其中每个参考负载具有已知的阻抗。
校准测量可以包括对所传送的信号水平、反射的信号水平和传输与反射之比中的至少一者的测量。该方法还可以包括基于校准测量来向微波测量施加校正。负载可以被连接到微波耦合器和微波环行器中的至少一者，而且所述校正可以例如是补偿微波测量以使耦合因子响应线性化。该方法还可以包括依靠所述比较来降低或增加微波信号的功率，和/或依靠所述比较而停止向负载施加微波信号。在本发明的另一独立方面中，提供了一种包括可执行的计算机可读指令的计算机程序产品，以执行所要求保护的或本文描述的方法。在本发明的又一独立方面中，提供了一种微波设备，该设备包括微波源，用于提供微波信号，该微波源可连接到负载，并在操作中被配置成在频率范围内改变微波信号的频率；微波检测器，用于执行微波测量，在操作中被布置成接收来自负载的反射，并执行多个测量，每个测量对应于频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率；以及处理装置，用于根据所述多个测量来确定反射的测量。在本发明的其他独立方面中，提供了一种用于使用与反射的功率平均相结合的扫描操作频率来测量被供给微波生成器的反射微波功率、以最小化电压驻波比对反射功率测量的影响的方法和设备。在本发明的另一独立方面中，提供了一种微波频率功率生成器，该微波频率功率生成器包括具有扫频振荡器的内部微波信号生成器，所述扫频振荡器具有大于或等于(C/2X电缆长度)的扫描带宽；和/或具有至少(C/2X电缆长度)的操作带宽的放大器；和/或具有至少(C/2X电缆长度)的操作带宽的定向耦合器和微波环行器；以及利用微波检波二极管来测量从负载向着所述生成器返回的反射功率的反向功率微波检测器电路；和/或用于采样并平均由微波检波二极管提供的依靠频率的电压信号以降低VSWR对反射功率信号的影响的反向功率测量电路。该器件可以具有用于控制所传递的平均功率的脉宽调制(PWM)输出信号。该器件可以具有脉宽调制(PWM)输出信号，该PWM信号具有小于信号生成器扫频的频率的开启/关闭切换频率。该器件可以由内部扫频振荡器供应，以便微波放大器在其性能特性的线性范围内被驱动，从而允许具有连续输出功率的增益控制。
该器件可以具有用于处理扫频振荡器的微波信号生成器，该扫频振荡器具有频率扫描调制方案，例如扩频或跳频。在本发明的另一独立方面中，提供了一种微波频率功率生成器，该微波频率功率生成器包括具有变频振荡器的内部微波信号生成器，所述变频振荡器具有大于或等于(C/2X电缆长度)的扫描带宽；和/或具有变频振荡器的外部微波信号生成器，所述变频振荡器具有大于或等于(C/2X电缆长度)的扫描带宽；以及具有至少(C/2X电缆长度)的操作带宽的放大器；以及具有至少(C/2X电缆长度)的操作带宽的定向耦合器；以及利用微波检波二极管来测量从负载向着所述生成器返回的反射功率的反向功率微波检测器电路；以及用于采样并平均由微波检波二极管提供的依靠频率的电压信号以降低VSWR对反射功率信号的影响的反向功率测量电路。该器件可以具有用于控制所传递的平均功率的脉宽调制(PWM)输出信号。该器件可以具有脉宽调制(PWM)输出信号，该PWM输出信号具有小于信号生成器扫频的频率的开启/关闭切换频率。
该器件可以在内部或外部微波信号生成器之间切换。该器件可以由扫频振荡器供应，以便微波放大器在其性能特性的线性范围内被驱动，从而允许具有连续输出功率的增益控制。该器件可以由扫频振荡器供应，该扫频振荡器具有频率扫描调制方案，例如扩频或跳频。还可以提供一种用于测量被供给微波生成器的反射微波功率的方法和设备，其中负载的阻抗影响对正向功率与反射功率的比率的测量。可以针对多个端口阻抗参考标准(例如，诸如-I. 5dB、_3dB、_6dB、_12db、_20dB、电气开路、电气短路等阻抗)来测量所述比率，其中在定向耦合器的输入处具有相同功率的情况下测量所述比率。该比率与阻抗性能可以是非线性的，而且可以使用控制装置来被校正，所述控制装置可以包括用于提供不依靠输出阻抗的耦合因子的线性化电路或基于微处理器的查找表。所测量的比率信号能够用于确定所连接的设备的端口阻抗，而且使用该认知来生成能够被用作控制装置(诸如线性化电路或基于微处理器的查找表)以校正将以其他方式受到端口阻抗影响的所测量的信号的信号，从而提供更精确的测量。在本发明的另一独立方面中，提供了一种用于监控微波传输或反射的方法，该方法包括向被连接到微波耦合器和/或微波环行器的负载提供微波信号；执行多个测量，每个测量位于多个不同阻抗范围中的各自的一个阻抗范围处，而且每个测量包括微波信号的传输和反射；以及根据所述多个测量来确定与负载阻抗相关的传输与反射比率的测量。该方法可以包括使用传输与反射比率与负载阻抗的关系来补偿使用微波耦合器线性化耦合因子响应所采取的测量。还可以提供如这里基本上参照附图所描述的设备或方法。本发明一个方面中的任意特征可以以任意恰当的组合被应用到本发明的其他方面。例如，设备特征可以被应用到方法特征，反之亦然。


现在通过非限制性的示例来描述本发明的实施方式，而且这些实施方式在下列附图中被示出，其中图I是微波系统的实施方式的示意图；图2a和2b是针对连续波和脉冲输出，输出功率和所施加的频率随时间的变化的示意图；图3是根据替换实施方式的微波系统的示意图；图4是针对跳频调制方案，输出功率和所施加的频率随时间的变化的示意图；图5至12是针对输入阻抗、传输线阻抗和终端阻抗的各种组合，作为所施加的频率的函数的回波损耗的图示；

图13是捕获全VSWR周期所需的、作为电缆长度的函数的最小频率扫描带宽的图示；图14是用于执行实验测量以说明传输线长度的变化的影响的实施方式的示意图；图15是针对各种频率扫描宽度，作为由相移器所施加的相位变化(对应于电缆长度的变化)的函数的所测量的反射微波信号的图示；以及图16是作为扫描带宽的函数的扫描纹波相比于CW纹波的所测量的百分比降低的图示；图17a是用于执行正向和反向功率测量的实施方式的示意图；图17b是标准微波环行器的示意性表示；图17c是标准微波耦合器的示意性表示；图18a是用于线性化检测器电压与所测量的功率的实施方式的示意图；图18b是用于线性化所测量的功率(来自耦合器)与阻抗的实施方式的示意图；图19a是作为各种端口阻抗的函数的、来自100W源的、所测量的反射功率相比于理论所测量的反射功率的图示；图19b是作为各种端口阻抗的函数的、来自100W源的、针对端口阻抗进行校正的所测量的反射功率的图示；图19b是作为各种端口阻抗的函数的、来自100W源的、针对端口阻抗进行校正的所测量的反射功率的图示；图20是作为电压比率的函数的耦合因子的图示，其包括且示出了使用线性和多项式校正因子来稳定针对电压比率的变化的耦合因子；图21a是微波耦合器的实施方式的示意图；图21b是受到微波耦合器中的定向性信号的影响的反射功率的测量的示意图；以及图22是用于所测量的检测器信号的线性化、曲线拟合或校准的模拟电路的功能表不。
具体实施例方式用于医疗应用的微波功率生成器系统的实施方式如图I所示。该系统包括微波源，该微波源包括振荡器2和放大器4，其中振荡器2 (在该情况中，Micronetics M3500-2032)可操作以生成通常处于低功率水平(高达+IOdBm)的高频交流信号，而放大器4 (在该情况中，Empower BBM3T6AMQ)被连接到振荡器2且可操作以将低功率的振荡器信号放大到更高的功率水平(例如，20-200W)且具有SMA或N型同轴输入或输出。可以使用任意适当的振荡器，例如任意介电谐振振荡器(DRO)或任意晶体振荡器(X0)，假设他们具有期望的频率带宽。放大器4被连接到 微波环行器6 (在该情况中，为MECA CS-2. 500)和微波耦合器(在该情况中，为MECA 722N-30-3. 100)，该微波环行器6允许信号在一个方向上流动，该微波耦合器在隔离端口(未示出)上提供信号的样本。微波耦合器和微波环行器6可被连接到传输线8 (在所示实施方式中，以高频同轴电缆(例如，具有50欧姆的阻抗，在该情况中为Huber+SuhnerSUCOFLEX 400)的形式)，该传输线8具有物理长度(和相关联的电气相位长度)，该传输线8被布置以向负载10传递高功率能量。负载10可以例如是诸如阻性负载之类的吸收器(absorber)(在该情况中，为MECAN-Male终端CTN-250_1)或用于向诸如组织或任意其他材料之类的吸收介质施加辐射的诸如天线、探针或应用器之类的能量辐射器(在该情况中，为AzwellTE-ISB微波应用器)。在图I的实施方式中，负载10包括用于向生物组织施加微波辐射以对该生物组织执行消融过程的探针。其他可能的应用包括向任意其他材料施加能量以用于加热或干燥目的，诸如干燥谷物或木浆或具有高水分含量的任意其他被处理的材料。类似地，微波能量能够作为化学处理技术或陶瓷烧结工艺中的一部分而被施加给材料。该系统还包括控制器12，该控制器12可操作以控制振荡器和/或放大器的操作，从而控制由微波源生成的微波辐射的一个或多个性质。控制器12包括正向和反向功率测量电路14、16，该正向和反向功率测量电路14、16包括二极管检测器器件(在该情况中，为安捷伦(Agilent)33330C选项003)，该二极管检测器器件可操作以测量在微波耦合器6的端口处的正向和反向信号。在操作中，正向和反向功率测量电路提供在标准比较器电路内被实时测量的或者由控制器12采样、数字化(例如，采样率可以从20至200KHZ)并分析的依靠功率的输出电压。虽然上面提供了在图I所示的实施方式中使用的振荡器、放大器、耦合器、环行器、电缆和负载中的每一者的细节(包括制造商和模型参数)，但是可以使用任意适当的部件，而且实施方式并不局限于参照图I描述的特定部件。在操作中，具有期望功率和频率特性的微波信号在控制器12的控制下经由传输线8被施加到负载10。功率和频率特性通常由控制器来选择，以便在负载处提供或由负载提供期望操作的性能。在图I的实施方式中，功率和频率特性被选择以在生物组织的区域处提供期望的热效应，以便对生物组织的该区域执行消融操作。在向负载施加微波信号期间，由反向功率测量电路14来测量并由控制器12来监控具有从负载反射回的被施加的信号的部件。经由传输线所施加的信号由正向功率测量电路16测量。控制器12能够使用所测量的被反射的和被施加的信号来确定VSWR的值，这向负载给予生成器的阻抗匹配的指示。在可替换的实施方式中，测量电路测量被反射的和被施加的信号的叠加，而非单独地测量被反射的和被施加的信号。在所确定的VSWR中的变化(例如，高于或低于预定阈值)能够提供故障指示或者能够提供在负载处或由负载执行的操作的进程的指示(例如，组织的区域的消融水平)。在一些情况中，VSffR中的变化能够指示组织或其他材料在治疗中，或者设备的部件过热，而且在那种情况中，控制器12被配置成停止施加微波信号或者降低微波信号功率。因此，反射信号水平和/或VSWR的校正测量对于装置的安全操作而言是重要的。图I的实施方式的一个特征是，控制器12被配置成控制微波源的操作以便所施加的微波信号的频率在应用期间以及在监控所施加的信号和反射信号期间被改变，以便在多个所施加的频率处测量所施加的信号和反射信号。如下面将更详细讨论的，实际微波系统的一个特征是，在传输线上的任意点处测量的电压是所施加的信号和反射信号(也称为正向和反射波)的叠加，而且叠加后的所施加的和反射的信号的幅度随着传输路径上的位置而改变，并遵循VSWR正弦曲线或其他波形。反向功率测量电路将仅测量VSWR波形的单个点，而且在VSWR正弦曲线随着距离而变化时，路径长度的改变将导致反射功率测量遵循VSWR正弦曲线的轮廓。对于两个相同的不匹配部件而言，该效应能够导致反向功率测量电路测量从VSWR最大值到VSWR最小值的任意位置。
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然而，通过在监控所施加的和反射的信号的同时改变所施加的信号的频率，能够在测量位置处改变电气相位，这能够具有与改变传输线的长度相同的效果。在图I的实施方式中，控制器12被配置成改变所施加的频率，以便测量电路在整个VSWR周期内采样所施加的和反射的信号。控制器12能够依靠根据所采样的反射的和/或所施加的信号而确定的反射辐射的量的测量来控制微波源的操作。在一个操作模式中，控制器12对针对每个频率扫描或在多个频率扫描中获得的反射信号进行平均，以获得反射辐射的测量。在另一操作模式中，控制器在每个采样频率处确定反射与传送的信号幅度的比率，而且针对每个频率扫描或在多个频率扫描中将所确定的反射与传送的信号幅度的比率进行平均，以获得反射辐射的测量。在另一操作模式中，控制器12使用在频率范围内的采样的测量来计算VSWR的值，并将所计算的VSWR值用作反射辐射的量的测量。在上面参照图I描述的实施方式中，所施加的微波辐射是连续波辐射(如果反射功率水平超过预定阈值，则遭受由控制器12导致的中断)。输出功率和所施加的频率随时间的变化在图2a中被示意性地示出。在可替换的实施方式中，所述装置包括扫频微波源，该扫频微波源具有对饱和输出功率的脉宽调制控制以提供可变输出功率控制。对于可替换实施方式的输出功率和所施加的频率随时间的变化在图2b中被示意性地示出。在该实施方式中，控制器12被配置成在功率输出被临时切换时(在连续时段Ton&Toff (Tff&TH)期间)，在频率fl与f2之间连续地扫描所施加的频率，以便所施加的信号以脉冲重复频率(Ton/Toff频率)被脉冲并提供伪平均功率水平。扫频是用其在Π与f2之间改变所施加的频率的频率。fl至f2扫频fs通常大于脉宽调制(PWM)Ton/Toff频率。例如，在一个操作模式中，IkHz PWM开启/关闭信号具有IOkHz的fl至f2扫频，以适应(accommodate)低输出功率所需的更高的关闭/开启比率。可以使用任意适当的扫频和脉冲重复频率。通常，扫频明显大于脉冲重复频率，在一些情况中，是脉冲重复频率的10倍或更大。图3示出又一可替换的实施方式，其包括被连接到放大器4以提供微波频率输入信号的外部信号生成器20。放大器4放大来自外部信号生成器20和扫频信号生成器2的信号的组合。在又一可替换的实施方式中，扫频信号生成器2被省略，而且外部信号生成器是外部扫频信号生成器，例如，Gigatronics 2500A,Hittite HMC-T1000或NovaSource G6。在又一可替换的实施方式中，宽带放大器4在线性区域内被驱动，以提供用于提供相对于饱和PWM输出的可变功率连续输出信号的增益控制。这允许宽带放大器例如可选地在控制器12的控制下应用除了对所施加的微波信号的频率扫描之外的各种类型的信号调制方案(例如，扩频或跳频)。振荡器和放大器操作条件的不同组合特别适用于提供具有特定特性的微波信号。例如，内部振荡器和饱和放大器能够用于提供PWM输出功率，内部振荡器和线性放大器能够用于提供包括调制方案的连续可变输出功率，外部振荡器和饱和放大器能够用于提供PWM可变输出功率，而外部振荡器和线性放大器能够用于提供包括调制方案的连续可变输出功率。 针对这种信号调制方案的一部分的输出功率和所施加的频率随时间的变化的示例在图4中被示意性地示出(在全调制方案中，将提供比图4中所示的更大数量的不同所施加的频率)。在每个信号调制方案中，在预定频率范围内，所施加的微波信号的频率随时间而变化。对于频率扫描的情况而言，这种信号调制方案的使用能够针对多个所施加的信号频率来采样反射信号，这与在单个所施加的信号频率下的测量相比能够更精确地确定反射功率。下面将更详细地描述使用频率扫描执行的一些实验测量的示例，以及这种频率扫描对反射功率的测量的影响。在描述实验测量之前，提供一些理论背景。首先考虑被连接到负载阻抗\的系统阻抗Ztl的情况。除非负载阻抗完美地与系统阻抗匹配，否则任意所施加的信号的一部分都将被负载阻抗反射(所述部分由反射系数Γ表示)，而且将生成由所施加的和反射的信号的叠加组成的、具有特征电压驻波比(VSWR)的驻波。VSWR的值由等式(I)提供
I-Irl(I) FWi =其中(2)|Γ| = |^
Zi + Z0回波损耗(return loss)由下面的等式提供
(VKWR- \\(3 ) Return ioSS = -20 * log —-
\VSWR+ I J现在考虑负载阻抗包括经由特征阻抗(A)而被连接到源的终端阻抗(B)的情况，则依靠终端阻抗是大于还是小于特征阻抗(在大部分情况下为50Ω或75Ω )，VSWR纹波将在频带内出现。VSWR (V1)将因源与特征阻抗(具有反射系数ΓΑ)之间的不匹配而出现，而且进一步地，VSWR (V2)将因特征阻抗与终端阻抗(具有反射系数为ΓΒ)之间的不匹配而出现。VSWR纹波的最大和最小“峰值”如下相关
(4) ε A = 20*log(l± I rA*rB|)dB 其中 ε A = VSWR 幅度误差所得到的级联VSWR幅度的最小(MIN)和最大(MAX)由下式给出(5) VSffR MAX = VL*VS(6) VSffR MIN = VL/VS其中八=两个VSWiUV1或V2)中的较大者Vs =两个VSWiUV1或V2)中的较小者在图5至12中提供了一系列的图示，其中对于被连接到-9. 54dB (VSWR2:1)的终 端的具有优于_20dB回波损耗(VSWR I. 22:1)的标准电缆而言，画出了各种电缆长度、电缆阻抗和终端阻抗值的情况下的理想电路部件的仿真频率与回波损耗响应，所有的图示都关于50Ω的输入阻抗。使用上面的理论(省略了匹配不确定性和匹配损耗)Vl = 2:1, Vs = I. 22VSffR MAX = 2. 44:1 = -7. 5dB (关于 50 Ω )VSffR MIN = I. 63:1 = -12. 4dB (关于 50 Ω )对于图5至12中的每个，其提供了回波损耗作为所施加的频率的函数的图示。在每个情况中，图上的标记指示如果在单频(在每个情况下都为2. 45GHz)处执行测量，则将被获得的回波损耗的值，且用于指示将通过在那个频率下测量CW信号而获得的结果。在每幅图中，输入阻抗、电缆长度、电缆阻抗和终端阻抗的值在所述图之后的示意电路图中被指
/Jn ο图5的电路表示直接连接到50 Ω源的100 Ω负载。仿真的传输线具有零长度，而且在负载与源之间不引入相位或阻抗。在该理想情况中，回波损耗在整个频带内是恒定的。这类似于完美校准测量，即移除了传输线的影响。进一步地，电路和相应的回波损耗特性在图6和7中表示，其中传输线长度等于1.5m。对于每个电路，终端阻抗(50Ω)与输入阻抗(50Ω)匹配，但是与传输线阻抗不匹配。在图8的电路中，在输入阻抗(50 Ω )、传输线阻抗(45 Ω )与终端阻抗(100 Ω )之间存在级联不匹配。所得到的微波回波损耗纹波与频率如图8所示，其中图8示出了整个频带内的回波损耗和VSWR纹波。在线阻抗不匹配大于特征阻抗的情况下，如果线阻抗更低，例如45 Ω/50 Ω或55 Ω/50Ω,则VSWR纹波将低于本征不匹配值，反之亦然。在图8中这是显而易见的，其中在图8中，线阻抗小于50 Ω，本征不匹配值是-9. 5dB (VSWR = 2:1)，而纹波上升到-7. 46dB。图9示出线阻抗大于50Ω的情况，在该情况中，纹波下降至-12. 167dB，VSWR再次为2:1，而且纹波在低于本征不匹配值-9. 5dB之下摇摆。图8和图9的这两个示例突出了回波损耗测量中测量不确定性的问题。在这两种情况中，输入阻抗(50Ω)和终端阻抗(100Ω)是相同的，而且将被期望产生相同的VSWR。然而，传输线的阻抗中的变化具有明显的影响。能够看出，在这两种情况下，在2. 45GHz的单频下执行的回波损耗测量(诸如在CW操作中)将产生非常不同的结果。在之前公知的医疗和其他微波系统中，通常使用环行器、耦合器和检波二极管来进行回波损耗测量，而且通常能够感知到测量低回波损耗值(即接近波节的值)表示最佳性能。然而，应当理解，波节是在测量点处正向和反射信号消除的结果，而且并不表示其他位置的最佳匹配。已经发现，电缆或其他传输线的长度中的变化导致VSWR波纹随着频率而移动，从而改变了在单个测量点处观察到的值。这通过将传输线的长度修改+/-1%而示出，如图10至12所示。在图10至12的每幅图中，输入阻抗、传输线阻抗和终端阻抗的值是相同的，但是传输线的长度在I. 5m、I. 515m和I. 53m之间变化。能够看出，在单个测量点处的、在任意特定频率(例如，2. 45GHz的固定频率)处的所测量的信号在最大与最小值之间变化，而且变化+/-1%。这表明电缆的物理性质中的小变化能够明显改变回波损耗测量。VSWR纹波还与路径长度(电气相位)和信号传播速度相关。这种关系被公知的故障定位(DTF)性能验证和故障分析工具所利用，其中该故障分析工具使用频域反射计(FDR)测量技术来通过测量VSWR纹波中的相应点之间的频率差来计算线上的阻抗不匹配的距离。该关系被总结如下
(7)长度(Length) = VfX (c/ (2XFs))其中Length =传输线的物理长度。Vf =通过线的作为光速的百分比的传播速度。c =真空中的光速(每秒米)。Fs频率扫描。在非常短的距离上，传播速度对测量具有有限的影响，而且由于长度是已知的，所以上面的等式能够近似并被重新整理为(8) Fs (c/2XLength)为了检查频率扫描与电缆长度之间的关系，在多个频率上对各种电缆长度的VSWR性能进行仿真。捕获至少一个全VSWR最大-最小周期所需的频率扫描与整个样本平均一起被记录。结果在图13中提供，其中，对于Im与3m之间的电缆长度，捕获全VSWR周期所需的最小频率扫描带宽被画为电缆长度的函数。分别画出了针对2. 45GHz,5. 8GHz和IOGHz的所施加的频率的结果。已经发现，如图13所示，通常需要c (光速)除以两倍的电缆或其他传输线长度的最小样本带宽来提供用于覆盖全VSWR最小-最大周期的足够数据。例如，在一个实施方式中，Im的电缆将需要最小150MHz的最小频率扫描。在大部分的实际系统中，操作频率是固定的(CW)，然而，应用器(或其他负载)阻抗匹配(其随着治疗的继续而改变)和电缆长度是可变的，而且能够依靠部件批次(batch)的尺寸容差。最大和最小水平之间的差异是测量不确定性的指示。随着应用器匹配的降低，这些峰值随所得到的偏移而增加更多(与实际回波损耗相关)。作为示例，对于图I所示的电缆应用器配置，如果在固定频率下操作而没有扫描或以其他方式改变频率，则电缆长度的2%的容差因VSWR效应而导致在2. 45GHz处所测量的回波损耗从-7. 47dB到-9. 54dB的变化。以百分比表示，这可能是15%的测量误差，其是明显的，与由具有大于50 Ω的线阻抗的电缆所提供的不确定性相耦合，能够测量低至-12. 167dB的回波损耗。这意味着对于同一应用器而言，具有可接受性能的同轴电缆的长度的2%误差能够提供近似30%的总测量不确定性。通过如上面结合图I所描述的那样进行扫描或以其他方式改变频率，这种误差能够被明显降低或基本上被消除。
使用图14所示的布置来执行进一步的测量。该布置类似于图I的实施方式的布置。扫频微波源30被连接到宽带微波放大器32，该宽带微波放大器32通过宽带30dB定向耦合器34被连接到包括标准I. 5m长度的50 Ω同轴微波电缆11的可变长度传输线35、和连接到具有-12dB回波损耗和I. 67:1的VSWR的负载终端37的微波移相器36 (0-360度电气相位)，这类似于医疗应用器。控制器38被提供并包括功率检测器，该功率检测器包括正向和反向功率测量电路(未示出)，该正向和反向功率测量电路包括二极管检测器器件，可操作以测量来自耦合器34的正向和反向信号。移相器36用于仿真电缆的各种电气长度的影响。在使用标准数字电压计(Fluke179)记录功率检测器上的电压的同时，对于各种输出频率而言，移相器36递增地循环360度(以仿真改变电缆长度的影响)。初始地，使用2.45GHz的连续波(CW)信号来说明在没有频率扫描或其他变化的情况可能被期望的性能。这通过应用以2. 45GHz为中心的扫描跨越2. 425GHz-2. 475GHz并递增到2. 35GHz_2. 55GHz (从而，频率扫描宽度从50MHz变化到200MHz)的可变频率信号来实现。图15是在各种频率扫描宽度的情况下，作为由相移器所施加的相位变化(对应于 电缆长度的变化)的函数被画出的所测量的反射微波信号的图示。能够看出，与CW测量相t匕，用于扫频测量的扫描纹波的大小被明显降低了。图16示出与CW纹波相比的扫描纹波中的所测量的百分比的降低。再次，显而易见地，增加扫描带宽能够产生纹波中的明显百分比降低。从图15和16中能够看出，例如，能够在监控反射辐射的同时，通过扫描或以其他方式改变所施加的辐射的频率来获得测量精度的明显改进。所测量的纹波对相位的偏差被降低，因为扫描带宽增加了。这表示与CW测量相比能够获得所传递的功率的更真实的测量，而且类似于电缆相位效应的平均或局部校准。图17a示出了微波功率系统的又一实施方式，其更详细地示出了正向和反向功率测量电路的部件。该系统包括被连接到输入端口 42的微波源39和关联的控制器40。源39可操作以向输入端口施加微波信号并扫描或以其他方式改变微波信号的频率，如已经描述的那样。包括例如模拟控制电路或数字控制电路或专用微处理器或适当地被编程和对接的计算机的控制器40可操作以控制微波源的操作，例如控制由源39提供的微波信号的功率和频率水平。控制器40还被连接到该系统的其他部件，包括下面描述的检测器45、47，且可操作以在期望的情况下处理、存储和应用对由那些其他部件的测量的校正。输入端口 42被连接到耦合器44，该耦合器44被反过来连接到检测器45和环行器41。环行器41被连接到负载43 (例如微波应用器)和反射功率测量部件。反射功率测量部件包括被连接到检测器47和反射功率终端48的耦合器46。任意适当的设备可以被用作这些不同的部件，例如参照图I和3的实施方式描述的相同或类似的设备能够被用于各种部件。在图17a的实施方式中，除了在操作期间改变微波信号的频率，还根据在系统被连接到各种不同的标准阻抗时预先测量的系统性能来使用校准。校准数据之后在测量的校正中被使用，如下面更详细描述的那样。在操作中，入射功率进入在输入端口 42处的电路，且被连接到检测器45的耦合器44采样，该检测器45将所采样的功率转换成电压信号。由检测器45测量的信号表示正向功率(或入射功率)。f禹合器44传送功率给三端口微波环行器41,该三端口微波环行器41在一个方向上传送功率给负载43。负载43可以例如是用于医疗应用的应用器或天线。由于负载阻抗可以与50Ω的系统阻抗不同，所以会出现阻抗不匹配，从而导致一部分功率被向着环行器41被反射回。环行器将该反射功率向着吸收反射功率的反射功率终端48传送。反射功率被连接到检测器47的耦合器46采样，该检测器47将所采样的功率转换成电压信号。由检测器47测量的信号表示反射功率(或反向/返回功率)。在该布置中，对应于负载43的阻抗的正向和反向功率之间的比率能够被测量。
微波环行器41具有三个端口，如图17b所示。通常，功率从第一端口 49传递给第二端口 50，而反射功率遵循环形的方向而从第二端口 50返回到第三端口 51。环行器具有端口之间的隔离水平(其与端口终端有关)，而且这能够导致沿着环形方向通过时邻近端口之间的小的泄漏信号52。理想地，微波环行器将在每个端口处具有50 Ω的阻抗，以实现最佳性能。然而，在医疗应用中，端口阻抗会明显与50Ω不同，从而导致环行器性能的改变，这能够包括隔离的变化、输入匹配的变化和插入损耗的变化。微波定向耦合器46是具有四个端口的设备，如图17c所示。通常，定向耦合器用于基于从输入53到输出54的流的方向来分离信号。I禹合器46具有两个f禹合的端口，第一是耦合输出56，而第二是吸收来自输出端口的反射信号的终端端口 55 (称为隔离端口)。定向I禹合器46将信号分离成两个分量,其中f禹合输出56出于米样目的而被衰减，衰减的水平是耦合因子。然而，由于耦合器是非理想的，所以它们还允许一些信号在反向方向上流动。耦合端口 56处输出的功率与相比于反向功率的正向功率之间的差异称为定向性。理想地，耦合器在每个端口处的阻抗应当为50Ω以实现最佳性能，然而，在医疗应用中，输出端口阻抗会与50Ω明显不同，从而导致耦合器性能的改变，其可以包括耦合因子的变化、匹配的变化、插入损耗的变化和定向性的变化。另一耦合器配置是双定向耦合器，其用于线同时正向和反向功率测量中。这与具有串联联动并被集成到具有四个端口和两个内部隔离终端的单个器件中的两个耦合器的情况基本上相同，其操作如之前描述的那样。检测器45和47具有非线性功率_电压性能，该性能能够使用曲线拟合电路或基于微处理器的查找表来校正值以进行线性化，如图18a所示。在该实施方式中，模拟电路的偏移和增益与所测量的功率参考进行比较，以校正作为校准的一部分的所测量的电压。驱动检测器的耦合信号受到呈现给系统的负载阻抗的影响。阻抗与耦合信号(或所测量的功率)之间的关系受到阻抗敏感型部件的整个网络(包括耦合器和环行器)的影响，而且该关系典型地是非线性的。已经发现，校正阻抗与耦合性能是重要的，以便测量针对各种阻抗的校正功率。在图17a所示的实施方式中，在初始校准过程期间，各种已知阻抗替代负载73而被连接，而且在不同的微波输入信号功率水平和/或频率下针对每个已知阻抗执行测量(例如，正向和反射检测器电压的测量)。已知阻抗可以是多个端口阻抗参考标准，例如，-I. 5dB、-3dB、-6dB、-12db、-20dB阻抗、电气开路和电气短路。
可以由控制器40使用曲线拟合电路或基于微处理器的查找表来校正值以对性能进行线性化，如图18b所示。在该实施方式中，对于所设置的功率水平，模拟电路的偏移和增益(图22)与所测量的阻抗参考进行比较，以校正作为校准的一部分的所测量的信号。所测量的正向与反射功率信号可由控制器40使用以生成与阻抗成比例的信号。该阻抗相关的信号之后能够用于针对输出端口阻抗变化而校正所测量的检测器电压，以确保在端口阻抗变化的情况下测量精度没有被减小。在没有针对阻抗的校正的情况下，使用专用阻抗不匹配所校准的功率测量将仅在相同的单个阻抗点处测量校正功率，如图19a示意性示出的那样。在图19a中能够看出，在一个阻抗点59处的测量功率58与理论所测量功率57相一致，并因测量时阻抗的影响而在其他点处不同。在图19b所示的针对阻抗不匹配校正的测量的情况下,校正后的测量功率60在所有阻抗值下都与理论值57相一致。 图20提供了校正的示例。在图20中，微波耦合器的耦合因子值61被示出随着正向与反向功率比率的增加而变化。引入多项式校正因子62来校正导致线性化的(补偿的)耦合因子63的耦合值，其跟踪正向与反向功率比率。线性校正因子64也能够用作校正的近似方法。校正因子能够由与微波源39相关联的控制器40使用图22所示的曲线拟合模拟电路或基于微控制器查找表(未不出)来生成。典型的定向耦合器如图21a所示。在该示意图中，对于固定阻抗不匹配而言，反射功率信号68从输出端口 66被返回。泄漏信号67也因定向性而存在，而且在耦合端口 69处与反射功率信号组合。由于测量是相位/频率敏感型的，所以定向性信号71将添加和取消导致观察到的信号72的变化的反射信号70，这在测量73中产生了纹波。该纹波是在耦合端口 69处出现的VSWR的结果。纹波的峰峰值依靠阻抗不匹配、定向性、耦合因子、插入损耗和针对设备的其他典型的系统参数。当在单频处执行这个测量时(CW)，不确定性存在；如果测量位于最小值、最大值或两者之间的某个位置处，则不能确定该不确定性。通过在等于360度相位的范围内扫描频率，反射功率74的平均值能够被确定，这恢复了反射功率75的真实测量。对于微波环行器而言，当端口到端口泄漏以与定向性泄漏信号相同的方式动作时，能够实现类似的效果。用于所测量的检测器信号(正向或反射)的线性化(曲线拟合)或校准的模拟电路的实施方式如图22所示。在该功能示意图中，来自检测器45或47的测量功率信号P(IN)使电路进入初始增益阶段76、被放大并之后被分发给两个电路。一个电路提供指数到线性曲线拟合77、78，另一电路提供线性到线性曲线拟合79、80。校准调整影响用于线性化输出信号的电路特性的增益77、79和斜率80或幂78 (偏移)。线性平方电路校正基于PWM的线性功率测量82 (获取自二极管功率特性上的单个点)，而指数电路校正CW (连续)测量81，该CW测量81遵循功率的检波二极管曲线特征。这些电路中的任一者都可以由开关83选择，该开关83依靠操作模式(内部PWM或在CW放大器模式中具有被外部驱动的放大器4)而向控制系统输出线性化后的功率测量。由于耦合器和环行器都是相位和阻抗敏感型器件，所以固定频率(CW)系统中与相位变化耦合的阻抗不匹配能够导致非常明显的测量不确定性。扫频源的使用能够消除当在功率测量电路中使用耦合器和环行器时的这些不确定性。已经描述了反射信号的测量和反射的测量的确定。应当理解的是，所描述的实施方式也能够用于确定传输的测量或传输与反射的比率。
应当理解的是，上面仅通过示例的方式描述了本发明，而且在本发明的范围内能够对细节进行修改。说明书和(恰当的)权利要求以及附图中公开的每个特征可以被单独地提供或以任意适当的组合的方式提供。
权利要求
1.一种微波设备，该微波设备包括 微波源，用于提供微波信号，该微波源能够连接到负载； 控制装置，在操作中被配置成在频率范围内改变由所述源提供的所述微波信号的频率； 微波检测器，用于执行微波测量，该微波检测器在操作中被布置成接收来自所述负载的反射和/或到所述负载的传输，并执行多个测量，每个测量对应于所述频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率；以及 用于根据所述多个测量来确定反射的测量和/或传输的测量的装置。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述微波源能够经由传输线连接到所述负载，以便在操作中通过由所述源提供的所述微波信号和该微波信号的反射的叠加来在所述传输线中形成电压驻波，所述电压驻波(VSW)的幅度在VSW周期中、在所述传输线上的最大和最小位置之间变化，并且所述频率范围使得由所述控制装置在操作中、在所施加的频率范围内改变所述频率导致在所述微波检测器的位置处的所述VSW在至少一个VSW周期中改变。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其中，所述微波源经由长度为L的传输线能够连接到所述负载，并且所述频率范围具有大于或等于c/2L的宽度，其中c是光速。
4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述频率范围具有大于或等于50MHz的宽度，可选地大于或等于200MHz，可选地大于或等于500MHz。
5.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述控制装置被配置成通过在所述频率范围内扫描所述频率来改变所述微波信号的所述频率。
6.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述控制装置被配置成通过控制所述信号具有不同频率的序列来在所施加的频率范围内改变所述微波信号的所述频率。
7.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述控制装置被配置成在所述频率范围内重复地改变所述频率。
8.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述微波信号包括脉冲信号，以及所述控制装置被配置成在每个脉冲期间改变所述频率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述控制装置被配置成在重复周期中、在所施加的频率范围内改变所述微波信号的所述频率，并且每个周期的持续时间小于每个脉冲的持续时间。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述每个周期的持续时间小于或等于所述每个脉冲的持续时间的十分之一。
11.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，针对所施加的频率范围而获得的所述反射的测量表示针对所述频率范围而获得的反射的平均或最大量，和/或针对所施加的频率范围的所述传输的测量表示针对所述频率范围而获得的传输的平均或最大量。
12.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述微波检测器被配置成测量由所述源提供的所述微波信号和所述微波信号的反射，并根据所测量的被提供的信号和所测量的反射来确定电压驻波比(VSWR)。
13.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述反射的量的测量包括针对所述频率范围的VSWR，例如针对所述频率范围的最大或平均VSWR。
14.根据前述任一权利要求所述的设备，该设备还包括被配置成将所述反射和/或传输的量的测量与阈值进行比较的监控装置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述控制装置被配置成依靠所述比较来改变由所述源提供的所述微波信号的至少一个性质。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述控制装置被配置成依靠所述比较来降低或增加所述微波信号的功率，和/或依靠所述比较而停止向所述负载施加所述微波信号。
17.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述微波源包括扫频振荡器和微波放大器，以及所述控制装置在操作中被配置成在其性能特性的线性范围内驱动所述微波放大器。
18.根据权利要求I至16中任一权利要求所述的设备，其中，所述微波源包括外部微波振荡器、用于放大来自所述外部微波振荡器的信号以提供所述微波信号的放大器、以及用于向所述放大器施加控制信号以控制所述微波信号的装置。
19.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述微波源能够连接到负载，该负载包括探针或应用器，例如用于向生物组织施加微波辐射的探针或应用器。
20.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述控制装置在操作中被配置成控制所述源以提供微波信号来在生物组织上执行操作，例如消融操作。
21.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述负载被连接到微波耦合器和微波环行器中的至少一者。
22.根据前述任一权利要求所述的设备，该设备还包括用于存储将测量值与负载阻抗的值相关联的校准数据的存储装置，其中所述控制装置被配置成基于所述校准数据来向所述测量施加校正。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述校准数据的所述测量值包括所传送的信号水平、反射信号水平、和传输与反射比率中的至少一者。
24.一种监控微波反射和/或传输的方法，该方法包括 向负载提供微波信号； 在频率范围内改变所述微波信号的频率； 执行多个微波测量，每个微波测量处于所述频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率，并且每个微波测量包括所述微波信号的反射和/或传输；以及 根据所述多个测量来确定反射和/或传输的测量。
25.根据权利要求24所述的方法，该方法还包括经由传输线向所述负载提供所述微波信号，以便在操作中通过由所述源提供的所述微波信号和该微波信号的反射的叠加来在所述传输线中形成电压驻波，所述电压驻波(VSW)的幅度在VSW周期中、在所述传输线上的最大和最小位置之间变化，并且所述频率范围使得由控制装置在操作中、在所施加的频率范围内改变所述频率导致在测量位置处的所述VSW在至少一个VSW周期中改变。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，所述微波信号经由长度为L的传输线被提供给所述负载，而且所述频率范围具有大于或等于c/2L的宽度，其中c是光速。
27.根据权利要求24至26中任一权利要求所述的方法，该方法还包括通过在所述频率范围内扫描所述频率来改变所述微波信号的所述频率。
28.根据权利要求24至27中任一权利要求所述的方法，该方法还包括通过控制所述信号具有不同频率的序列来在所施加的频率范围内改变所述微波信号的所述频率。
29.根据权利要求24至28中任一权利要求所述的方法，其中，针对所施加的频率范围而获得的反射和/或传输的测量表示针对所述频率范围而获得的反射和/或传输的平均或最大量。
30.根据权利要求24至29中任一权利要求所述的方法，该方法还包括测量由所述源提供的所述微波信号，测量所述微波信号的反射，并根据所测量的被提供的信号和所测量的反射来确定电压驻波比(VSWR)。
31.根据权利要求24至30中任一权利要求所述的方法，其中，所述反射的量的测量包括针对所述频率范围的VSWR，例如针对所述频率范围的最大或平均VSWR。
32.根据权利要求24至31中任一权利要求所述的方法，该方法还包括将所述反射和/或传输的量的测量与阈值进行比较，并依靠所述比较来改变由所述源提供的所述微波信号的至少一个性质。
33.根据权利要求32所述的方法，该方法还包括依靠所述比较来降低或增加所述微波信号的功率，和/或依靠所述比较来停止向所述负载施加所述微波信号。
34.根据权利要求24至33中任一权利要求所述的方法，该方法还包括用多个参考负载来替换所述负载，并执行针对所述参考负载中的每一者的校准测量，其中每个参考负载具有已知的阻抗。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述校准测量包括对所传送的信号水平、反射信号水平和传输与反射比率中的至少一者的测量。
36.根据权利要求34或35所述的方法，该方法还包括基于所述校准测量来向所述微波测量施加校正。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述负载被连接到微波耦合器和微波环行器中的至少一者，而且所述校正是为补偿所述微波测量以线性化耦合因子响应的。
38.一种包括可执行的计算机可读指令的计算机程序产品，以执行根据权利要求24至37中任一权利要求所述的方法。
全文摘要
微波设备包括微波源，用于提供微波信号，该微波源能够连接到负载；控制装置，在操作中被配置成在频率范围内改变由所述源提供的所述微波信号的频率；微波检测器，用于执行微波测量，该微波检测器在操作中被布置成接收来自所述负载的反射和/或到所述负载的传输，并执行多个测量，每个测量对应于所述频率范围内的多个不同频率中的各自的一个频率；以及用于根据所述多个测量来确定反射的测量和/或传输的测量的装置。
文档编号A61B18/18GK102711649SQ201080061697
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月18日
发明者E·麦克利恩, G·比尔 申请人:恩布莱申有限公司