适用于开放场的微波辐照装置及方法与流程

本发明涉及生物电子学技术领域，尤其涉及一种适用于开放场的微波辐照装置及方法。

背景技术：

微波是一种频率为300mhz～300ghz(波长为1mm～1m)的高频电磁波，其波长介于红外线与特高频之间，平均功率在千瓦以上、峰值功率在几百千瓦以上时即为高功率微波。21世纪以来，随着科技的发展，其在通讯、工业、医疗、家用电器等以及在军事领域的应用越来越广泛，人类受到微波辐射的概率也不断增加。随着人们对微波研究的不断深入，微波、高功率微波辐射对生物体的损伤引起了人们的重视。微波辐射可对生物体的神经系统、心血管系统、免疫系统、生殖系统等造成不同程度的损伤。微波辐射按生物学效应可分为热效应和非热效应。

功率密度>10mw/cm²时以热效应为主。热效应是指微波能量被生物组织吸收后，引起组织器官的加热作用而产生的生理影响和机制，是经国际肯定的微波生物效应。当辐射剂量过大，中枢神经系统出现神经衰弱症候群和器质性损伤；血液系统血像发生变化，白细胞数呈下降趋势；心血管系统发生血流动力学失调；消化系统出现消化不良，甚至形成溃疡；视觉系统轻则可引起晶状体损伤，重则产生白内障；男性生殖系统出现功能低下，精子生成抑制，女性则出现月经周期失调等等。

功率密度<10mw/cm²时以非热效应为主。非热效应是指在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而影响人体各器官系统功能的发挥。非热效应变化主要发生在细胞和分子水平上，进而影响其生物物理和生物化学反应过程以及基因、细胞因子、信号转导通路等的改变，并引起相应的组织器官和整体的损伤效应。

从目前研究情况来看，影响非热效应的因素很多，非热效应的量-效关系仍不明确，不同频段、功率密度微波辐射的损伤特点各不相同。公开报道中，为数不多的此类研究大多基于微波对内耳的影响开展。内耳是负责听觉和位置觉的重要外周感受器，与中枢神经系统的联系紧密，随着手机等电磁通讯设备的广泛使用，微波对内耳的影响引起越来越多人的关注。采用低、中、高功率微波对豚鼠耳部外照射，从前庭功能及超微结构角度探索微波对内耳前庭的影响是研究的主流验证思路，具体的试验方法遵循着“先刺激再观测”的非实时性步骤，罗列如下：方法1，电极刺激法，前期在动物(以豚鼠为例)耳部植入电极，麻醉后通过有线方式传输微波信号，对豚鼠施加微波刺激，而后观测诸如迷宫、爬杆等开放场式活动中，豚鼠行为是否出现异常；方法2，微波辐照法，前期无需对豚鼠身体造成创伤，但需要对其实施固定或是麻醉，在充分隔离其它豚鼠的前提下，通过微波天线以无线的方式对目标豚鼠进行辐照，而后观测诸如迷宫、爬杆等开放场式活动中，豚鼠行为是否出现异常。

如上试验方法，要么如方法1，无法避免豚鼠身体的创口以及麻醉，而这些会不同程度的影响后期行为观测的准确性；要么如方法2，需要关注目标豚鼠与其它豚鼠之间的微波辐照的隔离问题，以免影响后期行为观测的准确性。由此，尚没有一种试验方法，既可以避免豚鼠身体的创口以及麻醉，又无需关注微波辐照隔离问题，甚至做到“边刺激边观测”的实时性效果。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用于开放场的微波辐照装置和方法，融合了微波光子学领域相关技术进展，解决了常规适用于开放场的动物刺激方法中无法避免的对动物身体麻醉、造成创口，以及微波辐照的隔离问题，从而达成了“边刺激边观测”的实时性效果。

技术方案：本发明所述的适用于开放场的微波辐照装置，包括微波辐射驱动模块、开放场平台、发光二极管阵列和微波辐射接收模块，所述微波辐射接收模块佩戴于目标动物的颈部，所述发光二极管阵列位于所述开放场平台上方，所述微波辐射驱动模块与所述发光二极管阵列连接，可产生驱动电流驱动所述发光二极管阵列产生可见光，所述微波辐射接收模块接收到可见光照射后，解调可见光光谱中的辐照微波信号分量，并放大后辐照目标动物。

进一步的，所述微波辐射驱动模块包括直流电源、微波信号源、微波功率放大器和偏置器，所述直流电源的输出端与偏置器的直流输入端口连接，微波信号源的输出端与微波功率放大器的输入端口连接，微波功率放大器的输出端与偏置器的交流输入端口连接，偏置器的输出端与所述发光二级光阵列的输入端连接。

进一步的，所述微波辐射接收模块包括电池、光电探测器、微波功率放大器和微带天线，所述电池的输出端分别与光电探测器、微波功率放大器以及微带天线的电源输入端连接；光电探测器的输出端与微波功率放大器的输入端连接，微波功率放大器的输出端与微带天线的输入端连接。

进一步的，所述发光二极管阵列包括串联和/或并联的多组发光二级管。

进一步的，所述微波信号源产生的辐照微波信号频段属于s波段，频率范围在1.55ghz～3.4ghz；所述微波功率放大器的s波段小信号增益不小于30db，输出信号功率不小于30dbm，增益平坦度不大于1db；所述偏置器的交流信号输入频率范围不低于3.4ghz，直流信号输入电压范围不低于100v，直流信号输入电流范围不低于1a。

进一步的，所述光电探测器的光谱响应范围覆盖可见光波段380nm～780nm，且上升响应时间不大于300ps，即响应带宽不小于3.4ghz；所述微波功率放大器为紧凑型小尺寸封装，单电源3v～5v供电，工作频率不小于3.4ghz，s波段小信号增益不小于20db；所述微带天线形状不限，最大辐射方向指向目标动物耳部前庭，且s波段增益不小于3db；所述电池具体为锂电池，容量不小于200mah，可支撑微波辐射接收模块连续工作不少于2小时。

进一步的，所述发光二极管阵列有效覆盖2m²左右的开放场面积，且每组发光二极管的3db频带宽度不小于3.4ghz，驱动电流不大于2a，发光功率不小于1w。

本发明所述的微波辐照方法包括：

(1)将目标动物颈部佩戴所述微波辐射接收模块，并放置于所述开放场平台内；

(2)选取多组参照动物，不佩戴所述微波辐射接收模块，并放置于所述开放场平台内；

(3)开启微波辐射驱动模块驱动发光二极管阵列发出可见光，对开放场平台中的目标动物进行微波辐照；

(4)观测参照动物和目标动物的区别。

进一步的，开放场平台中实时观测的动物组数不少于3组，其中1组为接受微波辐照的目标动物，2组及2组以上为无法接受微波辐照的参照动物，以便在统计处理比对观测数据时减少随机和系统误差。

进一步的，所述微波辐射接收模块贴近目标耳部前庭。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明提出的适用于开放场的微波辐照装置及其方法，融合了微波光子学领域相关技术进展，解决了常规适用于开放场的动物刺激方法中无法避免的对动物身体麻醉、造成创口，以及微波辐照的隔离问题，从而达成了“边刺激边观测”的实时性效果。

附图说明

图1是本发明提供的适用于开放场的微波辐照装置的系统框图；图1中有：微波辐射驱动模块101；开放场平台102；发光二极管阵列，包括第一组发光二极管103，第二组发光二极管104，第三组发光二极管105；目标动物106，第一组参照动物107，第二组参照动物108，第三组参照动物109；目标动物106佩戴的微波辐射接收模块110；

图2是图1中微波辐射驱动模块的模块示意图；图2中有：直流电源201，微波信号源202，微波功率放大器203，偏置器204；

图3是图1中微波辐射接收模块的模块示意图，图3中有：锂电池301，光电探测器302，微波功率放大器303，微带天线304；

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种适用于开放场的微波辐照装置，包括微波辐射驱动模块101、开放场平台102、发光二极管阵列(包括第一组发光二极管103、第二组发光二极管104，第三组发光二极管105)，目标动物106所佩戴的微波辐射接收模块110。其中，发光二极管阵列有效覆盖2m²左右的开放场面积，且每组发光二极管的3db频带宽度不小于3.4ghz，驱动电流不大于2a，发光功率不小于1w。

参照图2，微波辐射驱动模块包括直流电源201，微波信号源202，微波功率放大器203，偏置器204。直流电源201的输出端与偏置器204的直流输入端口连接；微波信号源202的输出端与微波功率放大器203的输入端口连接；微波功率放大器203的输出端与偏置器204的交流输入端口连接。发光二极管阵列(内含第一组发光二极管103，第二组发光二极管104，第三组发光二极管105)的输入端与偏置器204的输出端口连接。其中，微波信号源202产生的辐照微波信号，其频段属于s波段，即频率范围在1.55ghz～3.4ghz。微波功率放大器203其s波段小信号增益不小于30db，输出信号功率不小于30dbm，增益平坦度不大于1db。偏置器204的交流信号输入频率范围不低于3.4ghz，直流信号输入电压范围不低于100v，直流信号输入电流范围不低于1a。

参照图3，微波辐射接收模块包括锂电池301，光电探测器302，微波功率放大器303，微带天线304。锂电池301的输出端分别与光电探测器302、微波功率放大器303以及微带天线304的电源输入端连接；光电探测器302的输出端与微波功率放大器303的输入端连接；微波功率放大器303的输出端与微带天线304的输入端连接。微波功率放大器303具有紧凑型小尺寸封装，举例说明如下，但不限于：qfp、lqfp、tqfp、lfcsp等封装，以便于集成在环形项圈之中；单电源3v～5v供电；工作频率不小于3.4ghz。锂电池301的容量不小于200mah，可支撑模块3连续工作不少于2小时。光电探测器302的光谱响应范围应覆盖可见光波段(380nm～780nm)，举例说明如下，但不限于：基于pin的光电探测器、基于apd的光电探测器、基于图像传感器的光电探测器，且上升响应时间不大于300ps，即对应着响应带宽不小于3.4ghz。微带天线304的形状，举例说明如下，但不限于：矩形、圆形、环形微带天线等；最大辐射方向指向目标动物耳部前庭，且s波段增益不小于3db。

该装置工作原理为：微波信号源202产生辐照微波信号，经微波功率放大器203后获得功率增益，在偏置器204中完成与直流电源201信号的叠加，作为发光二极管阵列(内含第一组发光二极管103，第二组发光二极管104，第三组发光二极管105)的驱动电流；发光二极管阵列以可见光波段对动物进行照射；开放场中有多组动物进行迷宫、爬杆等活动，包含目标动物，其颈部带有环形项圈形式的微波辐射接收模块110贴近耳部前庭，以及多组参照动物用于行为比对观测，其颈部不带环形项圈。项圈中的光电探测器302接收可见光照射，并解调光谱中的辐照微波信号分量，经微波功率放大器303后获得功率增益，进而通过微带天线304辐照目标动物。只有在佩戴此项圈的前提下，才能接收到相应的微波辐照，且高频微信号衰减甚大，因而不会对其它多组参照动物造成微波辐照。此外，锂电池301在微波辐照测试过程中给光电探测器302、微波功率放大器303以及微带天线304进行持续供电。

实施例2

本实施例提供了一种微波辐照方法包括：

(1)将目标动物颈部佩戴所述微波辐射接收模块，并放置于所述开放场平台内；

(2)选取多组参照动物，不佩戴所述微波辐射接收模块，并放置于所述开放场平台内；

(3)开启微波辐射驱动模块驱动发光二极管阵列发出可见光，对开放场平台中的目标动物进行微波辐照；

(4)观测参照动物和目标动物的区别。

其中，开放场平台中实时观测的动物组数不少于3组，其中1组为接受微波辐照的目标动物，2组及2组以上为无法接受微波辐照的参照动物，以便在统计处理比对观测数据时减少随机和系统误差。另外，有目标动物106在佩戴环形项圈的前提下，才能接收到功率密度为10mw/cm²的微波辐照，且高频微信号衰减甚大，因而不会对其它多组参照动物(内含第一组参照动物107，第二组参照动物108，第三组参照动物109)造成微波辐照。

下面对本装置进行测试。

测试所选器件如下：微波信号源202采用adi公司成熟的，集成电压控制振荡器(vco)的微波宽带频率合成器adf4355，其基波输出频率范围为3400mhz～6800mhz。此外，vco频率可进行1、2、4、8、16、32或64分频，因此可以产生低至54mhz的rf输出频率，满足本实施例中s波段辐照微波信号的频率要求。微波功率放大器203采用pasternack公司成熟的功率放大器pe15a4018，其可对频率范围30mhz～3ghz的微波信号提供38db的增益，输出功率可达30dbm，增益平坦度可达1db。偏置器204采用pasternack公司成熟的偏置器pe1615，其交流信号输入频率范围10mhz～6ghz，直流信号输入电压可达100v，直流信号输入电流范围可达2.5a。发光二极管阵列(内含第一组发光二极管103，第二组发光二极管104，第三组发光二极管105)可采用自制的高功率氮化镓(gan)微米发光二极管(mled)，3db频带宽度大于3.4ghz，驱动电流200ma，单管发光功率350mw。锂电池301采用深圳市聚和源科技有限公司生产的200mah聚合物锂离子电池，其型号402030，适用于手环等数码穿戴产品，较好的平衡了电池容量与重量，可支撑目标动物环形项圈中的微波辐射接收模块连续工作不少于2小时。光电探测器302采用thorlabs公司成熟的硅光电二极管fds015，其具有包含可见光波段在内的响应波长范围400nm～1100nm，上升响应时间35ps。微波功率放大器303采用adi公司成熟的低噪声放大器adl5521，其具有小尺寸lfcsp封装，工作频率范围：400mhz～4000mhz，单电源电压：3v～5v，s波段小信号增益20.8db。微带天线304采用自制的环形微带天线，采用10mil厚度的ro4350b板材，线性极化，s波段定向增益可达4db。

测试时，配置微波信号源202所采用的adf4355，输出s波段2.4ghz微波信号，其输出功率为-3dbm，经过微波功率放大器203所采用的pe15a4018后输出功率增益至30dbm。该增益微波信号在偏置器204所采用的pe1615中被直流电源201偏置至7v，而后驱动发光二极管阵列(内含第一组发光二极管103，第二组发光二极管104，第三组发光二极管105)所采用的自制的发光二极管，合计发光功率不小于1w。开放场中佩戴环形项圈110的目标动物106接收到相应的微波辐照。环形项圈110中的光电探测器302所采用的fds015接收到1‰的发光二极管阵列的输出功率，约为1mw，fds015在可见光波段具有50％的转换效率，其解调光谱中的辐照微波信号分量后，输出信号功率为0.5mw，即-3dbm。经过微波功率放大器303所采用的adl5521后输出功率增益至17dbm。而后通过微带天线304采用自制的环形微带天线，信号输出功率增益至21dbm。经测量微带天线304贴近目标动物106的耳部前庭部位，间距不超过1cm，由此计算前庭部位受到的微波辐照功率密度为10mw/cm²，满足生物学效应中非热效应研究的需要。开放场中只有目标动物106在佩戴环形项圈110的前提下，才能接收到相应的微波辐照，且高频微信号衰减甚大，因而不会对其它多组参照动物(内含第一组参照动物107，第二组参照动物108，第三组参照动物109)造成微波辐照。根据观测统计，在面积为2m²开放场平台102中，目标动物106与第一组参照动物107，第二组参照动物108，第三组参照动物109的间距均不少于50cm。因此，目标动物106所佩戴的环形项圈110中的微带天线304所辐照至各组参照动物的微波辐照功率密度为0.004mw/cm²，与目标动物106所受到的功率密度为10mw/cm²的微波辐照相比，隔离度高达68db。由此，本实施例解决了常规适用于开放场的动物刺激方法中无法避免的对动物身体麻醉、造成创口，以及微波辐照的隔离问题，从而达成了“边刺激边观测”的实时性效果。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。