Требования к высокочастотному тракту и его структура. Измеритель мощности для аппаратов УВЧ-терапии

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

"Требования к ВЧ тракту и его структура. Измеритель мощности для аппаратов УВЧ-терапии"

МИНСК, 2008

Требования к ВЧ тракту и его структура

ВЧ тракт должен обеспечивать требуемую мощность (Р_вых »80¸100 Вт, ±20%) в активной части комплексного сопротивления во всем диапазоне изменения ее реактивной составляющей, требуемую частоту f=27,12±0,6% МГц, автоматическую настройку тракта на согласованный режим, плавную регулировку мощности от нулевой до максимальной величины, подавление нежелательных излучений в эфир (2-я и 3-я гармоники).

Структурная схема содержит: 2-х канальный генератор с внешним возбуждением, задающий генератор (ЗГ), 2 канала усиления мощности (УМ1 с фазоинверсным звеном на входе и УМ2 с фазоинверсным звеном на выходе), фильтры гармоник Ф1 и Ф2, синфазный сумматор (С), конструктивно объединенный с фильтром-трансформатором и датчиком отраженной волны (Д), согласующее устройство (СУ), неоднородную длинную линию (ДЛ), на конце которой включена комплексная изменяющаяся нагрузка, образованная электродами (Э) и пациентом (П).

Рисунок 1 – Структурная схема транзисторного ВЧ тракта

Сигналы, вырабатываемые ЗГ, поступают на 2 канала усиления УМ1 и УМ2, после чего происходит сложение их мощностей в сумматоре С. С выхода сумматора ВЧ сигнал поступает на СУ, которое с помощью двухпроводной линии соединено с электродами.

Двухканальный генератор с внешним возбуждением предназначен для генерации с помощью ЗГ сигнала с частотой 27,12 МГц и его усиления по мощности двумя усилителями и последующей фильтрацией в канале фильтрами Ф1 и Ф2.

Управляемый кварц ЗГ выполнен на транзисторе VT2, в коллекторную цепь которого включен колебательный контур, образованный катушкой L и емкостью делителя.

Рисунок 2 – Схема ВЧ части задающего генератора

В цепи ОС генератора включен кварцевый резонатор, обеспечивающий требуемую стабильность f. Данный генератор управляется по постоянному току транзистором VT1, благодаря которому обеспечивается плавная (ступенчатая) регулировка выходного напряжения и, следовательно, мощности в нагрузке. ЗГ включает предварительный усилитель мощности на VT3 и VT4 и имеет два симметричных выхода. Он генерирует сигнал f=27,12 МГц, мощностью 8 Вт на нагрузке 50 Ом по каждому выходу.

Каждый из усилителей УМ1 и УМ2 представляет собой двухтактную схему с общим эмиттером, имеющую следующие параметры: U_{кол. max} =100 В, I_{кол. max} =15 А, мощность рассеивания на коллекторе Р=70 Вт, предельная частота усиления f₁ =150 МГц, расчетное значение R_{вн.транз} =6 Ом.

Исходя из максимального значения мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора (Р=70 Вт) и задавая границы возможного изменения сопротивления нагрузки величиной коэффициента отражения (Г)=0,15 (КСВН=1,35), определяются параметры усилителей мощности.

Эксперимент – при Е_к =27 В и при условии, что СУ трансформирует нагрузку в плоскость усилителя с КСВН не более 1,35, выходная мощность каскада составляет 56 Вт. При этом коэффициент усиления по мощности УМ1 и УМ2 равен 7, а КПД каскадов, определенный как отношение мощности в нагрузке к мощности, потребляемой от источника коллективного питания, составил 0,55. Для обеспечения требований по помехозащитности используют ФНЧ с f_ср =30 МГц, при этом подавление 2-й и 3-й гармоник рабочей частоты составляет соответственно 54 и 72 дБ.

Сумматор мощности

Использован синфазный сумматор мощности, выполненный по мостовой схеме на трансформаторных длинных линиях (ТДЛ). Схема имеет 2 входа (3 и 4), к которым подключаются УМ1 и УМ2 и два выхода (2 – подключается нагрузка трансформатора через СУ, 1 – подключено балластное сопротивление). Балластное сопротивление обеспечивает взаимную электрическую развязку, а согласование сумматора по входу (УМ1 и УМ2) контролируется по величине КСВН. Если комплексная нагрузка ВЧ тракта согласована с выходом 2, т.е. значение ее активной части близко к 50 Ом, а значение реактивной части стремиться к нулю, то мощность обоих каналов усиления суммируется в нагрузке. Если нагрузка не согласована, отраженная от нее волна поглощается в балластном сопротивлении, что определяется выполнением условия противофазности. Это условие обеспечивается за счет включения фазоинвертора 3 – четверть волновых отрезков кабелей, для того, чтобы на рабочей частоте фазовый сдвиг был кратен 90⁰ . В результате для падающих волн создаются условия синфазности по обоим каналам, а для отражающих – противофазности.

СУ обеспечивает автоматизацию процесса согласования ВЧ тракта с нагрузкой, исключая необходимость вмешательства в этот процесс при замене электродов, регулировке зазоров между электродом и пациентом и т.д.

Так как изменение активной составляющей невелико, то целесообразно построение СУ в соответствии с компенсационной схемой, в которой в зависимости от величины реактивной составляющей нагрузки перестраивается только один реактивный элемент. Наиболее высокой надежностью и быстродействием обладают СУ на основе индуктивных реактивных элементов с электрическим управлением – ферровариометров, представляющих собой магнитоуправляемые индуктивности. Принцип действия таких устройств основан