一种微波固态功率源电路及微波治疗仪的制作方法

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种微波固态功率源电路及微波治疗仪。

背景技术：

微波是指频率从300mhz到300ghz范围内的电磁波，在20世纪30年代，医务工作者发现了微波的生物效应。在临床上，微波与生物体的相互作用可以分为两大类，即微波致热效应和非微波致热效应。微波治疗仪所采用的微波热疗是一种非接触加热方式，不存在因电接触造成的热灼伤和电灼伤的可能。

微波固态电路是微波治疗仪中的关键部件。微波固态电路采用磁控管作为核心元件，实现生成所需微波的功能，通过单片机控制器控制磁控管的开关，直接作用在输出电极上。由于磁控管本身的器件误差以及使用过程中电路发热等情况造成的转换效率发生变化的问题，导致微波固态电路输出的微波信号的功率误差较大，无法达到理想的微波生成效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微波固态功率源电路及微波治疗仪，用于降低输出微波信号的功率误差，实现对微波功率、频率的精准控制，并提高功率源的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种微波固态功率源电路，包括频率源，与所述频率源连接的放大电路，与所述放大电路连接的输出电路，与所述输出电路连接的输出信号采集电路和驻波信号采集电路，以及分别与所述频率源、所述放大电路、所述输出信号采集电路和所述驻波信号采集电路连接的控制器；

其中，所述控制器用于驱动所述频率源生成初始微波信号，控制所述放大电路对所述初始微波信号进行放大以得到微波输出信号，根据所述输出信号采集电路采集的第一反馈信号与目标微波信号之间的功率误差调整所述放大电路的放大倍数，并根据所述驻波信号采集电路采集的第二反馈信号执行驻波保护动作。

可选的，所述输出信号采集电路具体包括耦合器，第一功率检波器和数模转换器；

其中，所述耦合器的输入端设于所述输出电路，所述耦合器的输出端与所述第一功率检波器的输入端连接，所述第一功率检波器的输出端与所述控制器的第一信号接收端连接。

可选的，所述驻波信号采集电路具体包括环形器，第二功率检波器和比较器；

其中，所述环形器的第一端与所述放大电路的输出端连接，所述环形器的第二端用于输出所述微波输出信号，所述环形器的第三端与所述第二功率检波器的输入端连接，所述第二功率检波器的输出端与所述比较器的输入端连接，所述比较器的输入端与所述控制器的第二信号接收端连接。

可选的，所述驻波信号采集电路还包括设于所述环形器的第三端与所述第二功率检波器的输入端之间的第二衰减器。

可选的，所述放大电路具体包括放大器和与所述放大器连接的第三衰减器；

相应的，所述微波固态功率源电路还包括第一驱动电路；所述第一驱动电路的第一端与所述控制器的衰减信号输出端连接，所述第一驱动电路的第二端与所述第三衰减器的控制端连接；

所述控制器调整所述放大电路的放大倍数具体为：

所述控制器控制所述第一驱动电路调整所述第三衰减器的衰减倍数，以调整所述放大电路的放大倍数。

可选的，所述第三衰减器具体为压控衰减器。

可选的，还包括设于所述放大电路的温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述控制器的第三信号接收端连接；

所述控制器还用于根据所述温度传感器的温度检测结果执行预设保护动作。

可选的，还包括与所述控制器连接的报警器；

所述控制器还用于根据所述第二反馈信号和所述温度检测结果控制所述报警器进行报警提示。

可选的，所述控制器具体为现场可编程逻辑门阵列fpga。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种微波治疗仪，包括上述任意一项所述的微波固态功率源电路。

本发明所提供的微波固态功率源电路，包括频率源，与频率源连接的放大电路，与放大电路连接的输出电路，与输出电路连接的输出信号采集电路和驻波信号采集电路，以及分别与频率源、放大电路输出、信号采集电路和驻波信号采集电路连接的控制器；其中，由控制器用于驱动频率源生成初始微波信号，控制放大电路对初始微波信号进行放大以得到微波输出信号，根据输出信号采集电路采集的第一反馈信号与目标微波信号之间的功率误差调整放大电路的放大倍数，并根据驻波信号采集电路采集的第二反馈信号执行驻波保护动作。通过输出信号采集电路和控制器形成反馈调节电路，实现了对微波生成过程的闭环控制，从而降低了输出微波信号的功率误差，实现了对微波功率的精准控制，而由于放大电路采用的放大器等器件易于损坏，通过驻波信号采集电路和控制器形成驻波保护电路，延长了整体装置的使用寿命。本发明还提供一种微波治疗仪，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微波固态功率源电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种放大电路的第一部分电路图；

图3为本发明实施例提供的一种放大电路的第二部分电路图；

图4为本发明实施例提供的一种第二驱动电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的一种第一驱动电路的第一部分电路图；

图6为本发明实施例提供的一种第一驱动电路的第二部分电路图；

图7为本发明实施例提供的一种控制器第一部分的电路图；

图8为本发明实施例提供的一种控制器第二部分的电路图；

图9为本发明实施例提供的一种输出信号采集电路及驻波信号采集电路的电路图；

图10为本发明实施例提供的一种模数转换电路的电路图；

图11为本发明实施例提供的一种温度传感器的电路图；

图12为本发明实施例提供的一种存储器的电路图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种微波固态功率源电路及微波治疗仪，用于降低输出微波信号的功率误差，实现对微波频率的精准控制。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种微波固态功率源电路的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的微波固态功率源电路包括频率源101，与频率源101连接的放大电路，与放大电路连接的输出电路102，与输出电路102连接的输出信号采集电路103和驻波信号采集电路104，以及分别与频率源101、放大电路、输出信号采集电路103和驻波信号采集电路104连接的控制器105；

其中，控制器105用于驱动频率源101生成初始微波信号，控制放大电路对初始微波信号进行放大以得到微波输出信号，根据输出信号采集电路103采集的第一反馈信号与目标微波信号之间的功率误差调整放大电路的放大倍数，并根据驻波信号采集电路104采集的第二反馈信号执行驻波保护动作。

相较于现有技术中的微波固态功率源电路通过磁控管因器件本身误差以及使用过程中电路发热等情况造成的转换效率发生变化，且无法进行误差调节的情况，本发明实施例采用频率源101产生微波信号后利用放大电路进行放大，利于通过调节放大电路的放大倍数来调节功率误差，进而根据信号采集电路采集的第一反馈信号与目标微波信号之间的功率误差调整放大电路的放大倍数实现误差调节，同时由于选用了易于损坏的放大器件，设置驻波检测电路采集第二反馈信号以便控制器105执行驻波保护动作，避免输出电路102后级电路异常信号对前级放大电路的损坏。

在具体实施中，频率源101可以采用参考晶振和锁相环组建，由参考晶振为锁相环提供参考信号，再由驱动锁相环的寄存器根据参考信号生成初始微波信号。

根据所需微波信号的输出频率和输出功率，选择合适的频率源101以及组成放大电路的放大器的数量和放大倍数。放大电路具体包括放大器和与放大器连接的第三衰减器111；

相应的，微波固态功率源电路还包括第一驱动电路；第一驱动电路的第一端与控制器105的衰减信号输出端连接，第一驱动电路的第二端与第三衰减器111的控制端连接；

控制器105调整放大电路的放大倍数具体为：

控制器105控制第一驱动电路调整第三衰减器111的衰减倍数，以调整放大电路的放大倍数。

第三衰减器111具体可以选用压控衰减器。第一驱动电路具体可以包括数模转换器112。数模转换器112具体可以采用ad5541或ad8051，用于控制压控衰减器的衰减倍数。

输出信号采集电路103采集的第一反馈信号即微波输出信号，控制器105根据第一反馈信号实现对微波输出信号的闭环调节，减少功率误差。

驻波信号采集电路104采集的第二反馈信号即后级电路经输出电路102反馈的驻波信号，控制器105根据第二反馈信号，可以结合第一反馈信号执行驻波保护动作，避免输出电路102后级电路异常信号对前级放大电路的损坏。

控制器105具体可以采用现场可编程逻辑门阵列fpga或复杂可编程逻辑器件cpld，如可以采用型号为xc3s250e-4vq100i的现场可编程逻辑门阵列fpga。

本发明实施例提供的微波固态功率源电路，包括频率源，与频率源连接的放大电路，与放大电路连接的输出电路，与输出电路连接的输出信号采集电路和驻波信号采集电路，以及分别与频率源、放大电路输出、信号采集电路和驻波信号采集电路连接的控制器；其中，由控制器用于驱动频率源生成初始微波信号，控制放大电路对初始微波信号进行放大以得到微波输出信号，根据输出信号采集电路采集的第一反馈信号与目标微波信号之间的功率误差调整放大电路的放大倍数，并根据驻波信号采集电路采集的第二反馈信号执行驻波保护动作。通过输出信号采集电路和控制器形成反馈调节电路，实现了对微波生成过程的闭环控制，从而降低了输出微波信号的功率误差，实现了对微波频率的精准控制，而由于放大电路采用的放大器等器件易于损坏，通过驻波信号采集电路和控制器形成驻波保护电路，延长了整体装置的使用寿命。

图2为本发明实施例提供的一种放大电路的第一部分电路图；图3为本发明实施例提供的一种放大电路的第二部分电路图；图4为本发明实施例提供的一种第二驱动电路的电路图；图5为本发明实施例提供的一种第一驱动电路的第一部分电路图；图6为本发明实施例提供的一种第一驱动电路的第二部分电路图；图7为本发明实施例提供的一种控制器第一部分的电路图；图8为本发明实施例提供的一种控制器第二部分的电路图。

在上述实施例的基础上，在本发明实施例提供的微波固态功率源电路中，放大电路具体可以包括多级放大器。

一种可选的实施方式如图1所示，放大器106、放大器107和放大器108采用驱动放大器，放大器109采用功率放大器放大器，则本发明实施例提供的微波固态功率源电路还包括第二驱动电路110，第二驱动电路110的第一端与控制器105的驱动信号输出端连接，第二驱动电路110的第二端与放大器108的控制端连接，第二驱动电路110的第三端与放大器109的控制端连接。第二驱动电路110具体可以采用脉冲开关电路。

压控衰减器111设于放大器106和放大器107之间。

为便于观看，将放大电路部分的电路图拆为两部分进行说明。如图2和图3所示，频率源101输出端连接第一放大器u13的rfin引脚，第一放大器u13的rfout引脚输出的rf_2450mhz信号输入至压控衰减器u300的rfin引脚，压控衰减器u300的rfout引脚连接第二放大器u301的rfin引脚，第二放大器u301的rfout引脚连接第三放大器u304的in引脚，第三放大器u304的out引脚连接第四放大器u303的in引脚，第四放大器u303的out引脚连接输出电路102，输出电路102设有环形器u302组成，环形器u302的in引脚连接第四放大器u303的out引脚，环形器u302的g引脚可以连接信号采集电路，环形器u302的out引脚输出微波输出信号，可用作驻波检测。其中，第一放大器u13采用era-51sm+型号的放大器，第二放大器u301采用mma25312bt1型号的放大器，第三放大器u304采用mht1008n型号的放大器，第四放大器u303采用mht1004n型号的放大器，压控衰减器u300采用rfsa2033。

第二驱动电路110如图4所示，第二驱动电路110的ptt引脚和t2引脚用于连接控制器105，驱动电路110的vg1引脚与图3中的vg1引脚连接，驱动电路110的vg2引脚与图3中的vg2引脚连接。

用于连接压控衰减器u300和控制器105的第一驱动电路中112的第一驱动电路如图5和图6所示，其第一部分为da转换器，第二部分为运算放大器；第一部分电路的d/a-vout引脚和第二部分电路的d/a-vout引脚连接。第二部分电路的dac-out引脚和图2中的dac-out引脚连接。

在此基础上，如图7和图8所示，控制器105采用xc3s250e-4vq100i的现场可编程逻辑门阵列fpga。控制器105的u44c部分的f/da-data引脚用于连接图5中第一驱动电路的f/da-data引脚，控制器105的u44c部分的f/da-sck引脚用于连接图5中的第一驱动电路的f/da-sck引脚，控制器105u44c部分的f/da-cs引脚用关于连接图5中的第一驱动电路的f/da-cs引脚，用于利用第一驱动电路控制压控衰减器111的衰减倍数；控制器105的u44d部分的f-t1引脚用于连接图4中驱动电路110的ptt引脚，用于利用第二驱动电路110控制第三放大器和第四放大器的放大倍数。

图9为本发明实施例提供的一种输出信号采集电路及驻波信号采集电路的电路图；图10为本发明实施例提供的一种模数转换电路的电路图。

在上述实施例的基础上，在本发明实施例提供的微波固态功率源电路中，输出信号采集电路103具体可以包括耦合器，第一功率检波器和数模转换器；

其中，耦合器的输入端设于输出电路102，耦合器的输出端与第一功率检波器的输入端连接，第一功率检波器的输出端与控制器105的第一信号接收端连接。

输出信号采集电路103还可以包括设于输出电路102和第一功率检波器之间的第一衰减器。

驻波信号采集电路104具体可以包括环形器，第二功率检波器和比较器；

其中，环形器的第一端与放大电路的输出端连接，环形器的第二端用于输出微波输出信号，环形器的第三端与第二功率检波器的输入端连接，第二功率检波器的输出端与比较器的输入端连接，比较器的输入端与控制器105的第二信号接收端连接。

进一步的，驻波信号采集电路104还可以包括设于环形器的第三端与第二功率检波器的输入端之间的第二衰减器。

如图9所示，第一衰减器由电阻r341、r337、r334、r339、r338、r335和r340组成，输出端连接第一功率检波器u309的rfin引脚，第一功率检波器u309的vrms引脚连接运算放大器u308的+in2引脚。

第二衰减器由电阻r325、r323、r327组成，第一端与环形器u302的out端连接，接收power_r信号，第二端与第二功率检波器u306的rfin引脚，第二功率检波器u306的vrms引脚连接运算放大器u308的+in1引脚。

运算放大器u308的out1引脚输出至vswr端，用于连接图8所示的控制器105的u44d的f-in1引脚。运算放大器u308的out2引脚输出至i_ad端，用于连接如图10所示的模数转换电路中模数转换器u1的vin引脚。模数转换器u1具体可以采用ad7476。模数转换器u1的cs引脚用于连接图8所示控制器105的u44d的f/ad-css引脚，模数转换器u1的sda引脚用于连接图8所示控制器105的u44d的f/ad-sda引脚，模数转换器u1的sck引脚用于连接图8所示控制器105的u44d的f/ad-sck引脚。

图11为本发明实施例提供的一种温度传感器的电路图。

在上述实施例的基础上，为进一步提高电路安全性，本发明实施例提供的微波固态功率源电路还包括设于放大电路的温度传感器，温度传感器的输出端与控制器105的第三信号接收端连接；

控制器105还用于根据温度传感器的温度检测结果执行预设保护动作。

如图11所示，温度传感器u66的vdd引脚接+3.3v直流电源，温度传感器u66的dq引脚用于连接控制器105以反馈温度检测结果。

进一步的，本发明实施例提供的微波固态功率源电路还可以包括与控制器105连接的报警器；

控制器105还用于根据第二反馈信号和温度检测结果控制报警器进行报警提示。

报警器105具体可以采用led指示灯。

图12为本发明实施例提供的一种存储器的电路图。

在上述实施例的基础上，为扩展应用，本发明实施例提供的微波固态功率源电路还可以包括存储器。

如图12所示，存储器u15的scl引脚连接图8中控制器105的u44d部分的256_scl引脚，存储器u15的sda引脚连接图8中控制器105的u44d部分的256_sda引脚。

上文详述了微波固态功率源电路对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述微波固态功率源电路对应的微波治疗仪。

基于上述实施例提供的微波固态功率源电路方案及其具体实施电路，可以应用于微波治疗仪中，具体可以采用上述各实施方式及其组合。通过上述实施例提供的微波固态功率源电路，可以提供精准的频率为2450mhz、功率为54dbm的微波信号。此外，还可以设置多组微波固态功率源电路，用于提供多个微波信号输出通道，供用户灵活使用。

在具体实施中，本发明实施例提供的微波治疗仪可以包括多组微波固态功率源电路，还包括治疗头，总控制器和触控屏，电源(具体可以选用输入220v交流电，输出30v直流电，30v直流电给功率源供电)；

其中，微波固态功率源封装后引出与总控制器通信的串口以及用于连接治疗头的输出接口。治疗头与微波固态功率源电路一一对应，治疗头的输入端与微波固态功率源的输出电路的输出端连接，治疗头的输出端用于输出微波信号；总控制器与微波固态功率源电路的控制器连接，用于向微波固态功率源电路的控制器发送控制信号以及接收微波固态功率源电路的控制器反馈的微波固态功率源电路的反馈信息；触控屏与总控制器连接，用于实现人机交互。

在实际应用中，在触控屏的界面上显示可选的通道和对通道的设置(如输出功率、手动模式或自动模式等)，各通道间治疗互不影响。用户通过触控屏完成选择微波发生通道等设置后，总控制器与微波固态功率源电路的控制器通信以控制相应的微波固态功率源电路输出目标微波信号，在使用期间，总控制器接收微波固态功率源电路的控制器反馈的监控信息，如是否触发驻波保护，如是否触发超温报警，并在触控屏上进行显示。

自动模式为可以选择多个预定的治疗程序及治疗时间，点击开始按钮后不可更换处方以及不可调节治疗时间，只能调节功率。自动模式自动切换治疗的连续治疗或者断续治疗模式，并自动调节断续模式的占空比。

其中，连续治疗模式为不间断输出微波信号，并稳定在设定功率进行治疗，微波输出信号的占空比(治疗时间占治疗时间与关闭信号时间之和的比值)为1。断续治疗模式为治疗一段时间后关闭微波输出信号一段时间，再次治疗一段时间后继续关闭微波数据信号一段时间，微波输出信号的占空比处于0到1之间，由用户进行设置。

手动模式为启动治疗前可调节时间、选择连续或断续模式。如选择连续模式不可调占空比，选择断续模式即可设定占空比，治疗参数设定完成后点击启动治疗。此时可调节功率。启动治疗后调节功率可增减功率值，功率值也经过总控制器的单片机封装为数据包发送给微波固态功率源电路的控制器。微波固态功率源电路的控制器根据指令码以及数字控制芯片引脚的电压高低，经过电路转换控制生成微波信号从而进行治疗。

在治疗过程中，当自触控屏接收到暂停或关机设置后，暂停或停止治疗，触控屏返回主界面。

各微波固态功率源电路均可以包括led指示灯，用于显示其工作状态，可以采用不同颜色对应关停状态、工作状态与异常状态。

在治疗期间，微波固态功率源电路的控制器检测到电路板超温时，立即停止治疗，将报警信号添加帧头指令码和帧尾封装成数据包，通过串口向总控制器的单片机发送。总控制器的单片机接收到报警信号，控制触控屏显示超温报警界面，等待技术人员断电检查电路以及检查输出接线。

治疗期间，如果用户拔掉治疗头，或治疗头与微波固态功率源电路接触不良、掉落，微波固态功率源电路的控制器通过驻波信号检测电路检测得到，并控制立即停止治疗，将报警信号添加帧头指令码和帧尾封装成数据包，通过串口向总控制器的单片机发送。总控制器的单片机接收到报警信号，控制触控屏显示驻波报警界面，等待技术人员断电检查电路以及检查输出接线。

以上对本发明所提供的一种微波固态功率源电路及微波治疗仪进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。