МИКРОВОЛНОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
MICROWAVE AMPLIFIER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к микроволновым усилителям. В частности, оно относится к конфигурации микроволнового усилителя для использования с электрохирургическим устройством для обработки биологической ткани микроволновой энергией.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Использование микроволновой энергии при обработке биологических тканей посредством электрохирургии является общеизвестным. Тем не менее достаточно сложной задачей остается строго контролируемая доставка микроволновой энергии, главным образом, из-за эффекта потерь между источником микроволнового излучения и конструкцией инструмента для введения в полость, который находится в контакте с биологической тканью, подлежащей обработке. Эти эффекты могут быть особенно проблематичными при малоинвазивных процедурах, в которых используются хирургические смотровые устройства, например, эндоскопы. Хирургические смотровые устройства обычно содержат корпус, из которого выходит шнур инструмента. Конструкция инструмента для введения в полость вводится в тело пациента через канал инструмента, который представляет собой просвет, проходящий по всей длине шнура инструмента. Таким образом, для доставки микроволновой энергии к инструменту для введения в полость требуется передача этой энергии через шнур инструмента.
Для обработки биологических тканей инструмент для введения в полость должен доставлять большое количество энергии. Это означает, что через шнур инструмента должны передаваться сигналы высокой мощности. Однако передача сигналов высокой мощности приводит к большим потерям, которые могут привести к нежелательному эндолюминальному нагреву, который может оказать негативное влияние на организм. Для преодоления этих проблем обычно требуется передача сигналов меньшей мощности через шнур инструмента, что приводит к увеличению времени обработки. Более длительное время лечения снижает уровень комфорта пациента, а также может продлить время восстановления после операции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В наиболее общем смысле, настоящее изобретение представляет собой усилитель микроволнового излучения, имеющий цепь нагрузки, которая обеспечивает более эффективное усиление слабого сигнала микроволнового излучения. Микроволновый усилитель по настоящему изобретению лучше всего подходит для использования с электрохирургическим устройством для обработки биологических тканей, например, абляции, резекции, коагуляции и т.д.
Повышенная эффективность, возникающая посредством выходной цепи нагрузки в соответствии с настоящим изобретением, позволяет располагать микроволновый усилитель и/или генератор в любой точке между источником электропитания постоянного тока (DC) и микроволновой конструкцией инструмента для введения в полость, чтобы обеспечить доставку энергии к ткани. Меньший, более эффективный усилитель имеет более низкие требования к мощности, а также сниженную потребность в охлаждении. Например, в некоторых вариантах осуществления усилитель и/или генератор микроволнового излучения может быть встроен в рукоятку электрохирургического устройства или внутрь самой конструкции инструмента для введения в полость. Настоящее изобретение также позволяет изготавливать портативный генераторный блок для использования с электрохирургическим устройством.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен микроволновый усилитель для усиления электромагнитных (ЕМ) сигналов на основной частоте, при этом усилитель содержит: транзистор, выполненный с возможностью предоставления усиленного микроволнового сигнала на его выходе; и цепь нагрузки, соединенную с выходом, для формирования формы волны усиленного микроволнового сигнала в плоскости источника тока транзистора, при этом цепь нагрузки содержит: основную согласующую цепь, которая настраивается для обеспечения согласования полного сопротивления на основной частоте; полуволновую линию передачи для частоты второй гармоники усиленного микроволнового сигнала, при этом полуволновая линия передачи расположена между выходом и основной согласующей цепью; четвертьволновой согласующий шлейф и пяти четвертьволновой согласующий шлейф для частоты третьей гармоники усиленного микроволнового сигнала, расположенные на полуволновой линии передачи, чтобы обеспечить режим разомкнутой цепи на частоте третьей гармоники; и четвертьволновой согласующий шлейф для частоты второй гармоники и четвертьволновой согласующий шлейф для основной частоты, расположенные на полуволновой линии передачи для обеспечения режима цепи короткого замыкания на частоте второй гармоники. Например, усилитель может представлять собой усилитель на основе интегральной схемы.
При такой конфигурации основная согласующая цепь может работать независимо от эффекта формирования формы волны, обеспечиваемого остальной частью цепи нагрузки. Другими словами, шлейфы, которые обеспечивают эффект формирования формы волны, в настоящем изобретении выполнены с возможностью противодействия или подавления любого воздействия на основную частоту, с которой согласована основная согласующая цепь. Это позволяет предварительно настроить основную согласующую цепь, например, перед подключением к транзистору. При сборке усилителя цепь нагрузки может быть оптимизирована (например, настроена) для достижения требуемого эффекта формирования формы сигнала посредством соответствующего размещения шлейфов, без влияния на согласование полного сопротивления на основной частоте, обеспечиваемой основной согласующей цепью.
Эта независимость достигается, в частности, посредством использования пяти четвертьволнового согласующего шлейфа для частоты третьей гармоники. Этот шлейф устраняет влияние четвертьволнового согласующего шлейфа для частоты третьей гармоники на согласование основной и второй гармоник.
Независимая настройка особенно полезна, поскольку транзисторы усилителя обычно поставляются как часть сборки, а не как отдельные компоненты. Настройка цепи нагрузки может сильно зависеть от характеристик сборки, но эти характеристики редко предоставляются производителями или поставщиками. В результате часто бывает необходимо настроить цепь нагрузки для определенной транзисторной сборки. В настоящем изобретении это может быть сделано без воздействия на согласование полного сопротивления цепи нагрузки на основной частоте, что позволяет проектировать и настраивать часть нагрузки и цепь согласования до того, как станут известны точные характеристики транзисторной сборки. Кроме того, если возможное влияние цепи настройки гармоник, то есть части формы волны цепи нагрузки, на стабильность усилителя неизвестно, ввиду недостатка информации о транзисторе, может быть разработан и изготовлен менее эффективный класс усилителя (например, класс B) до того, как станут известны характеристики сборки, а усилитель с более высокой эффективностью, с уменьшенными режимами угла отсечки, например, класс F, будет произведен и испытан экспериментально «на стенде» с установленной транзисторной сборкой.
Усилитель по настоящему изобретению представляет собой микроволновый усилитель класса F. Посредством ограничения нечетных гармоник в разомкнутом выходе и ограничения четных гармоник в замкнутом выходе, достигается высокая эффективность усилителя посредством прямоугольной формы волны сигнала напряжения и полусинусоидальной формы волны сигнала тока в плоскости источника тока транзистора или на выходе. В частности, было обнаружено, что настоящее изобретение обеспечивает высокую эффективность, по меньшей мере, 80% при рассмотрении только до третьей гармоники основной частоты в цепи нагрузки. Этот уровень эффективности достаточен для использования в компоновке микроволнового генератора электрохирургического устройства, как описано ниже. В некоторых вариантах осуществления цепь нагрузки может содержать дополнительные выходы для частот гармоник более высокого порядка для достижения более высокой эффективности. Теоретически, может быть достигнута эффективность порядка 100%, если цепью нагрузки ограничено достаточное количество гармоник более высокого порядка.
Предпочтительно, четвертьволновой согласующий шлейф и пяти четвертьволновой согласующий шлейф для частоты третьей гармоники расположены друг напротив друга на определенном расстоянии вдоль линии полуволновой передачи, равной четверти волны от плоскости источника тока транзистора для частоты третьей гармоники. Это обеспечивает надлежащее ограничение частоты третьей гармоники. Возможность настройки цепи нагрузки независимо от основной согласующей цепи учитывает неизвестную электрическую длину между собственной плоскостью источника тока транзистора и внешней плоскостью сборки, то есть электрическое расстояние между выходом транзистора и выходом сборки, в которой поставляется транзистор. В некоторых вариантах осуществления полуволновая линия передачи для частоты второй гармоники содержит четвертьволновую линию передачи для частоты третьей гармоники (включая внутреннюю длину электрического соединения утечки в сборке), и, таким образом, четвертьволновой согласующий шлейф и пяти четвертьволновой согласующий шлейф для частоты третьей гармоники могут быть расположены так, чтобы находится друг напротив друга на выходе четвертьволновой линии передачи для частоты третьей гармоники.
Предпочтительно, четвертьволновой согласующий шлейф для частоты второй гармоники и четвертьволновой согласующий шлейф для основной частоты расположены так, чтобы находится друг напротив друга на выходе полуволновой линии передачи. Это обеспечивает надлежащее ограничение замкнутой цепи частоты второй гармоники.
Дополнительно напряжение смещения может быть приложено к транзистору через четвертьволновой согласующий шлейф для основной частоты. Предпочтительно, шунтирующий на землю конденсатор также расположен на соединении входа напряжения смещения и четвертьволнового согласующего шлейфа для основной частоты. Конденсатор может обеспечивать достаточно низкое реактивное сопротивление для аппроксимации цепи короткого замыкания на микроволновых частотах.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен генератор микроволнового сигнала для генерации мощного микроволнового электромагнитного (ЕM) излучения, при этом генератор содержит: микроволновый генератор, выполненный с возможностью генерации микроволнового электромагнитного (ЕМ) излучения с первой мощностью, и микроволновый усилитель, который может быть усилителем согласно первому аспекту настоящего изобретения. Микроволновый усилитель выполнен с возможностью усиления микроволнового электромагнитного излучения от первого уровня мощности до второго уровня мощности, более высокого, чем первый уровень мощности. Благодаря использованию микроволнового усилителя, как описано выше, настоящее изобретение позволяет изготавливать легко переносимые генераторы микроволновых сигналов, которые способны генерировать электромагнитное (ЕМ) излучение высокой мощности. Высокоэффективное устройство может быть меньше и иметь меньшие требования к мощности и охлаждению. Портативный генератор может быть востребованным, к примеру, для использования с электрохирургическим гемостатическим устройством, особенно с устройством, которое может использоваться в чрезвычайных ситуациях. Генератор микроволнового сигнала может содержать источник электропитания постоянного тока (DC) для подачи электропитания постоянного тока, которая может потребоваться микроволновому генератору. Источник электропитания постоянного тока может быть выполнен в форме батареи, в частности, в виде съемной батареи. Таким образом, может быть предоставлен портативный генератор, который обеспечивает достаточную энергию для гемостаза и коагуляции, в котором источник электропитания может быть легко заменен, если требуется дополнительное снабжение энергией.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложено электрохирургическое устройство для выполнения электрохирургии, при этом устройство содержит: генератор микроволнового сигнала, выполненный с возможностью генерации микроволнового электромагнитного (ЕМ) излучения с первой мощностью; микроволновый усилитель согласно первому аспекту изобретения, выполненный с возможностью усиления микроволнового электромагнитного излучения от первого уровня мощности до второго уровня мощности, более высокого, чем первый уровень мощности; зонд, предназначенный для доставки микроволнового электромагнитного излучения со вторым уровнем мощности от его дистального конца для обработки биологической ткани; и конструкцию доставки для передачи микроволновой электромагнитной энергии; при этом зонд расположен на дистальном конце конструкции доставки, а генератор микроволнового сигнала и микроволновый усилитель распределены вдоль конструкции доставки.
Предоставляя, таким образом, электрохирургическое устройство, использующее микроволновый усилитель, как описано выше в отношении первого аспекта, можно создавать мощные микроволны для электрохирургии, уменьшая при этом потери по всей конструкции доставки и избегая проблем, возникающих из-за эндолюминального нагрева.
Настоящее изобретение позволяет размещать микроволновый усилитель ближе к зонду или даже интегрировать с ним, уменьшая потери, которые обычно возникают при передаче мощной микроволновой электромагнитной энергии к зонду. Это имеет многочисленные преимущества, например, возможность использования кабелей уменьшенного диаметра, что, в свою очередь, позволяет проводить электрохирургические операции в местах, которые, в противном случае, были бы труднодоступными. Уменьшенные потери также означают уменьшенный нагрев кабеля передачи, образующего конструкцию доставки.
Настоящее изобретение также обеспечивает снижение требований к мощности усилителя, поэтому также могут быть уменьшены потери и рассеяние мощности по всей конструкции доставки, ведущей к микроволновому усилителю.
В некоторых вариантах осуществления генератор микроволнового сигнала также может быть интегрирован с зондом. Таким образом, можно дополнительно избежать или уменьшить потери мощности микроволнового излучения и связанные с этим недостатки, присутствующие в известных устройствах, как описано выше. Устройство может дополнительно содержать источник электропитания постоянного тока (DC) для снабжения энергией постоянного тока генератора микроволновых сигналов, при этом источник электропитания постоянного тока также интегрирован с зондом. Таким образом, генерация микроволн может осуществляться полностью внутри зонда, и, в некоторых вариантах осуществления, внешний источник электропитания не требуется.
В некоторых вариантах осуществления электрохирургическое устройство может содержать смотровое устройство, имеющее корпус и шнур инструмента, при этом канал инструмента проходит через шнур инструмента, а зонд вставляется через канал инструмента. Например, смотровое устройство может представлять собой эндоскоп, гастроскоп, лапароскоп или тому подобное. Генератор микроволнового сигнала может быть интегрирован с корпусом смотрового устройства для создания портативного электрохирургического устройства, имеющего преимущества по настоящему изобретению. В некоторых вариантах осуществления, источник электропитания постоянного тока (DC) может быть интегрирован с корпусом смотрового устройства.
Дополнительно, электрохирургический аппарат может содержать рукоятку, которая может быть соединена с зондом посредством гибкого вала. Предпочтительно, гибкий вал вставляется через канал инструмента смотрового устройства. Генератор микроволнового сигнала может быть интегрирован с рукояткой. В некоторых вариантах осуществления источник электропитания постоянного тока (DC) может быть интегрирован с рукояткой.
В данном описании термин «микроволновый» может использоваться в широком смысле для указания диапазона частот от 400 МГц до 100 ГГц, но предпочтительно для диапазона от 1 ГГц до 60 ГГц. Были рассмотрены определенные частоты: 915 МГц, 2,45 ГГц, 3,3 ГГц, 5,8 ГГц, 10 ГГц, 14,5 ГГц и 24 ГГц.
Аналогичным образом, ссылочные обозначения «проводник» или «проводящий» материал в данном документе должны толковаться как означающие электропроводящий, если контекст не дает четкого представления о том, что подразумевается другое значение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Примеры реализации настоящего изобретения подробно обсуждаются ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
на Фиг. 1 представлен схематический вид полной электрохирургической системы, в которой применяется данное изобретение;
на Фиг. 2 представлен схематический вид компоновки микроволнового генератора;
на Фиг. 3 представлен схематический вид компонентов выходного каскада, который может использоваться с настоящим изобретением;
на Фиг. 4 изображена цепь нагрузки предшествующего уровня техники;
на Фиг. 5 изображена цепь нагрузки в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 6 изображен график выходного напряжения и тока для усилителя в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 представлено общее схематическое изображение системы электрохирургического устройства 100, в котором может быть использовано данное изобретение.
Устройство содержит хирургическое смотровое устройство 114, например, эндоскоп, гастроскоп, лапароскоп или т.п. Хирургическое смотровое устройство 114 содержит корпус 116, имеющий несколько входных портов и выходной порт, из которого выдвигается шнур инструмента 120. Шнур инструмента 120 содержит внешнюю оболочку, которая окружает множество просветов. Через множество просветов подводят различные детали от корпуса 116 к дистальному концу шнура инструмента 120. Одним из множества просветов является инструментальный (рабочий) канал. Гибкий вал 112 может вводиться по всей длине инструментального (рабочего) канала. Другие просветы могут содержать канал для передачи оптического излучения, например, для обеспечения освещения на дистальном конце или для сбора изображений с дистального конца. Корпус 116 может включать в себя окуляр 122 для обзора дистального конца. Чтобы обеспечить освещение на дистальном конце, источник 124 света (например, светодиод или т.п.) может быть соединен с корпусом 116 с помощью входного порта 126 освещения.
На проксимальном конце гибкого вала 112 имеется рукоятка 106, которая может быть присоединена для выполнения подачи 107 жидкости из устройства 108 для доставки жидкости, например, из шприца, хотя это не обязательно. При необходимости, в рукоятке 106 может быть расположен механизм управления прибором, который может функционировать посредством смещения пускового устройства 110, например, для управления продольным (назад и вперед) перемещением одного или нескольких управляющих проводов или толкателей (не показаны). Если имеется множество управляющих проводов, на рукоятке может быть несколько смещаемых пусковых устройств для обеспечения полного контроля.
Устройство 100 также может содержать генератор 102 для подачи микроволновой частоты и, дополнительно, радиочастотной (RF) электромагнитной (EM) энергии в дистальный узел 118. В некоторых вариантах осуществления, генератор 102 выполнен в виде источника электропитания постоянного тока для снабжения только энергией постоянного тока. Генератор 102 соединен с рукояткой 106 посредством интерфейсного кабеля.
На дистальном конце гибкого вала 112 находится дистальный конец узла или инструмент для введения в полость 118 (не проиллюстрирован в масштабе на Фиг. 1), форма которого позволяет ему проходить через канал инструмента хирургического смотрового устройства 114 и выступать наружу (например, внутри пациента) на дистальном конце шнура 120 инструмента. Узел дистального конца содержит активный наконечник для доставки микроволновой энергии в биологическую ткань, как более подробно описано ниже.
Конструкция дистального узла 118 может быть выполнена с максимальным наружным диаметром, равным или меньшим 2,0 мм, например, менее 1,9 мм (и, более предпочтительно, менее 1,5 мм), а длина гибкого вала может быть равна или больше 1,2 м.
В некоторых вариантах осуществления корпус 116 может содержать источник 128 электропитания постоянного тока (DC), который подключен для снабжения энергией постоянного тока узла 118 дистального конца вдоль гибкого вала, например, с использованием подходящих соединительных проводов. В других вариантах осуществления вместо генератора 102 может быть предусмотрен источник электропитания постоянного тока (DC). Источник электропитания постоянного тока (DC) 128 или 102 может представлять собой батарею (например, литий-ионную батарею), суперконденсатор или топливный элемент, которые могут быть установлены в корпусе 116. В другом примере источник 128 или 102 электропитания постоянного тока (DC) может представлять собой соединительный блок, выполненный с возможностью индуктивной или магнитной передачи энергии в устройство из удаленного источника (не проиллюстрирован). В этом случае соединительный блок может содержать внутреннюю коррекцию и фильтрацию для получения сигнала постоянного тока (DC) из присоединенного источника электропитания.
В других дополнительных примера, источник электропитания постоянного тока (DC) может быть частью узла 118 дистального конца, и, в этом случае, соединительные провода, проходящие вдоль канала инструмента, не требуются.
Может возникнуть необходимость контролировать положение по меньшей мере дистального конца шнура 120 инструмента. Корпус 116 может содержать исполнительный механизм управления 130, который механически соединен с дистальным концом шнура 120 инструмента одним или несколькими управляющими проводами (не проиллюстрированы), которые проходят через шнур 120 инструмента. Управляющие провода могут проходить внутри канала инструмента или внутри своих собственных выделенных каналов. Исполнительный механизм 130 управления может представлять собой рычаг или вращающуюся ручку, или любое другое известное устройство для манипулирования катетером. Манипулирование шнуром 120 инструмента может осуществляться с помощью программного обеспечения, например, с использованием виртуальной трехмерной карты, собранной из изображений компьютерной томографии (CT).
На Фиг. 2 представлен схематический вид, иллюстрирующий компоненты микроволнового генератора 131. Компоновка 131 микроволнового генератора содержит схему 132 генератора для генерации микроволнового сигнала малой мощности и выходной каскад 134 для усиления сигнала до уровня, подходящего для электрохирургии, например, для абляционной обработки биологической ткани.
Схема генератора 132 содержит генератор 144 для вывода микроволнового сигнала, например, имеющего частоту 1 ГГц или более, предпочтительно 5,8 ГГц, или более. Генератор 144 может представлять собой управляемый напряжением генератор (VCO) или генератор с диэлектрическим резонатором (DRO). Генератор 144 может получать на входе электропитание постоянного тока. Электропитание постоянного тока (DC) может обеспечиваться генератором 102 или источником 128 электропитания постоянного тока. Выходной сигнал генератора 144 может быть импульсным посредством модулятора 146. Выходной сигнал генератора 144 подается на усилитель мощности 148, который выполнен с возможностью генерации входного сигнала для выходного каскада 134. Усилитель мощности 148 может представлять собой любое подходящее устройство на базе монолитной сверхвысокочастотной интегральной схемы (MMIC). Компоновка 131 может дополнительно включать в себя аттенюатор (не проиллюстрирован) для обеспечения управления амплитудой сигнала, подаваемого на выходной каскад 134. Сам выходной каскад 134 может содержать схему 150 смещения и транзистор 152 на основе нитрида галлия, выполненный в виде усилителя мощности. Выходной каскад может включать в себя схему (не проиллюстрирована) для защиты компонентов выходного каскада от сигнала, отраженного обратно от излучающей структуры. Например, циркулятор может быть установлен на прямой цепи от транзистора на основе нитрида галлия. Циркулятор может отводить отраженную мощность на разгрузочную нагрузку. Однако эта защитная структура не является необходимой, поскольку структуры на основе нитрида галлия могут быть достаточно устойчивыми, чтобы справиться с этим. Выходной каскад 134 также содержит цепь нагрузки, как описано ниже.
Компоненты компоновки микроволнового генератора 131 могут быть расположены в разных частях электрохирургического устройства 100. В некоторых вариантах осуществления компоновка 131 генератора, включающая в себя как схему 132 генератора, так и выходной каскад 134, может образовывать часть микроволнового генератора 102. Используя микроволновый усилитель в соответствии с настоящим изобретением, микроволновый генератор 102 может быть легко переносимым. В качестве альтернативы, генератор 144 и переключатель 146 модуляции могут быть частью узла 118 дистального конца, что может быть необходимо для значительного уменьшения потерь, связанных с прохождением микроволновых сигналов через кабели. Дополнительно генератор 144 и переключатель 146 модуляции могут быть расположены внутри или на корпусе 116 хирургического смотрового устройства, а выходной каскад расположен в инструменте для введения в полость 118, уменьшая потери, поскольку по каналу инструмента должны передаваться только микроволновые сигналы малой мощности. В другом примере вся схема 132 генератора (т.е. включая усилитель 148 мощности) может быть расположена на проксимальном расстоянии от узла дистального конца, например, в корпусе 116. Таким образом, входной сигнал для выходного каскада 134 может передаваться по каналу инструмента.
Чтобы проиллюстрировать это, один пример может содержать генератор с диэлектрическим резонатором (DRO) с выходной мощностью 10 дБ/мВт (10 мВт) и монолитную сверхвысокочастотную интегральную схему (MMIC) с усилением 20 дБ, расположенные в корпусе смотрового устройства. Даже если в таком сценарии вносимые потери в кабеле составляют 10 дБ, на узле дистального конца все равно будет доступно 20 дБ/мВт (100 мВт). В этом примере выходной каскад может содержать вторую монолитную сверхвысокочастотную интегральную схему (MMIC), за которой следует транзистор 152 на основе нитрида галлия. Если вторая монолитная сверхвысокочастотная интегральная схема (MMIC) имеет усиление 10 дБ, а устройство высокой плотности на основе нитрида галлия - 10 дБ, то для доставки будет доступно 40 дБ/мВт (10 Вт).
Линия 136 передачи может представлять собой любую подходящую структуру для передачи микроволновой мощности, генерируемой выходным каскадом 134, в излучающую структуру. Например, могут использоваться как коаксиальные (включая волноводные) структуры, так и структуры полосковых линий передачи, как более подробно объяснено ниже.
На Фиг. 3 представлена схема компонентов выходного каскада 134, которую можно использовать в варианте осуществления настоящего изобретения. Выходной каскад 134 использует транзистор высокой плотности с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия в качестве усилителя для входного сигнала, полученного от схемы 132 генератора. Хотя может использоваться любая подходящая конфигурация усилителя, в соответствии с настоящим изобретением наиболее желательно смещать выход транзистора с использованием структуры класса F. Эта конфигурация позволяет устройству достигать коэффициента полезного действия (PAE), близкого к своему теоретическому пределу. В частности, структура, проиллюстрированная на Фиг. 3, может достигать коэффициента полезного действия (PAE) по меньшей мере 80% или до 90%. Именно такие высокие коэффициенты полезного действия, вытекающие из формы выходного каскада 134, позволяют разделять компоненты 131 микроволнового генератора и распределять их по компонентам электрохирургического устройства 100, поскольку только микроволновые сигналы более низкой мощности должны отправляться на выходной каскад 134, что приводит к меньшим потерям, чем при прохождении сигнала по кабелям. Высокая эффективность также позволяет создавать микроволновый генератор 102, который является портативным.
Структура класса F на Фиг. 3 обеспечивает цепь нагрузки на выходе усилителя на базе транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) 152, при этом цепь нагрузки содержит схему 188 согласования и резонансную схему 190. Первый резонансный контур (например, LC-контур или колебательный контур) 184 также предусмотрен на входе транзистора 152 с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия с соответствующей согласующей схемой 186 (например, серией LC-контуров). Цепь нагрузки, состоящая из выходного резонансного контура 188 и согласующей цепи 190, вместе являются цепью согласования гармоник, что объясняется ниже. Устройство смещено вблизи или на частоте среза, аналогично работе класса B.
Чтобы повысить эффективность с точки зрения количества микроволновой мощности, вырабатываемой на выходе к источнику постоянного тока (DC) и входного микроволнового сигнала на входе, желательно использовать устройство на основе нитрида галлия, используя схему, отличную от стандартной линейной схемы класса A, то есть схему класса B, AB, C, D, E или F.
Эффективность усилителя ограничена характеристиками транзисторов, используемых в конструкции. Если используется конструкция класса F, то теоретически можно достичь эффективности 100%, но при этом предполагается, что транзистор является идеальным источником тока. На практике, возможно достигнуть коэффициента полезного действия (PAE) по меньшей мере 70%, используя схему класса F.
Усилитель класса F имеет в своей основе усилитель класса B, причем компонентный транзистор скорее смещен между коленом усилителя и областями преобразования, чем в области преобразования. Это смещение приводит к обрезанию формы волны выходных сигналов тока и напряжения, то есть синусоидальные выходные сигналы искажаются, и проектирование формы сигнала может быть выполнено путем выбора подходящей цепи нагрузки или согласования гармоник цепи нагрузки для выхода усилительного транзистора.
1
1
1
n
1
n
1
-й
Например, второй резонансный контур 190 может быть выполнен с возможностью формирования формы выходного сигнала на основе нагрузки, проявляющейся как цепь короткого замыкания для четных гармоник (т.е. короткое замыкание при 2f, где f является основной резонансной частотой цепи), и как разомкнутая цепь для нечетных гармоник (т.е. разомкнутая цепь при 3f). Соответственно, форма волны напряжения утечки имеет форму прямоугольной волны, тогда как ток утечки имеет такую форму, что она напоминает полуволновую синусоидальную форму, в зависимости от числа контролируемых гармоник. Следует отметить, что для n гармоники f=nf и λ=λ/n. Гармоники более высокого порядка могут быть учтены, но приводят к уменьшению эффективности с точки зрения коэффициента полезного действия (PAE). Резонансный контур, который учитывает вторую и третью гармоники, достаточен для достижения эффективности по меньшей мере 80% и, таким образом, представляет собой хороший баланс эффективности и цепи нагрузки по соотношению сложность/стоимость. Учитывая только вторую и третью гармоники, цепь нагрузки может быть сделана достаточно маленькой, чтобы быть частью интегральной схемы. Например, усилитель на основе интегральной схемы может быть встроен в сам зонд.
Первый резонансный контур 184 гарантирует, что устройство приводится в действие прямоугольными импульсами. Таким образом, первый резонансный контур 184 может вводить генерацию гармоник и позволяет использовать более простые источники тока. В некоторых вариантах осуществления, первый резонансный контур 184 не требуется, и форма входного сигнала является синусоидальной.
2
3
2
3
3
Пример известной нагрузки или цепи 200 нагрузки для выхода транзистора 202 показан на Фиг. 4. Цепь 200 нагрузки содержит полуволновую линию передачи для частоты второй гармоники (то есть линия передачи λ/2), сформированная из четвертьволновой линии 204 передачи для частоты третьей гармоники - линия передачи 204 λ/4 - и линия передачи 212 λ/2-λ/4, соединенные последовательно. Отрезок линии передачи 204 λ/4 содержит линию передачи, внутреннюю для сборки транзистора, ведущую к соединению с выходом стока, характеристики которого могут быть неизвестны.
3
3
1
1
Четвертьволновой согласующий шлейф 206 для частоты третьей гармоники (согласующий шлейф λ/4) расположен на выходе четвертьволновой линии 204 передачи, чтобы обеспечить разомкнутую цепь для собственного стока транзистора на частоте третьей гармоники. Из-за взаимосвязи между гармоническими и резонансными частотами следует отметить, что λ/4=λ/12, и поэтому четвертьволновой согласующий шлейф для частоты третьей гармоники также может рассматриваться как согласующий шлейф λ/12.
2
2
1
Чтобы обеспечить цепь короткого замыкания на частоте f второй гармоники, цепь 200 нагрузки содержит четвертьволновой согласующий шлейф 208 для частоты второй гармоники (согласующий шлейф λ/4), расположенный напротив четвертьволнового согласующего шлейфа 210 для основной частоты (согласующий шлейф λ/4). Они расположены на выходе эффективной полуволновой линии передачи для второй гармоники.
dd
Напряжение смещения, V, транзистора прилагается через четвертьволновой согласующий шлейф 210 для основной частоты. Это гарантирует, что подача смещения находится на расстоянии половины длины волны на частоте второй гармоники от транзистора 202, чтобы обеспечить надлежащее полное сопротивление на второй гармонике.
1
Предусмотрена также цепь 214 суб-согласования, которая может быть настроена для обеспечения согласования полного сопротивления на основной частоте f, принимая в расчет остальную часть схемы 200. Цепь 214 суб-согласования, аналогично остальной части цепи 200 нагрузки, может содержать дополнительное расположение линий передачи и шлейфов, и также может содержать блокирующий конденсатор постоянного тока (DC).
Однако настройка цепи 200 нагрузки для увеличения эффективности усилителя влияет на требования к цепи 214 суб-согласования. Проектирование и настройка цепи 214 суб-согласования, на которую также оказывает негативное влияние остальная цепь нагрузки, может быть трудным и занимать много времени, и может приводить к неоптимальным результатам. Цепь в соответствии с настоящим изобретением преодолевает эти трудности, как объяснено ниже.
На Фиг. 5 изображена схема цепи нагрузки 300 в соответствии с настоящим изобретением.
1
3
2
3
3
Цепь нагрузки 300 подключена к выходу транзистора 302, который выполнен с возможностью усиления микроволновых сигналов, доставляемых на транзистор 302 с основной частотой f. Цепь нагрузки 300 содержит полуволновую линию передачи для частоты второй гармоники, образованную из четвертьволновой линии передачи 304 для частоты третьей гармоники (линия передачи λ/4) и линии передачи 310 λ/2-λ/4, соединенных последовательно. Отрезок линии передачи 304 λ/4 содержит линию передачи, внутреннюю для сборки транзистора, ведущую к соединению с выходом стока, характеристики которого могут быть неизвестны.
3
3
Четвертьволновой согласующий шлейф 306 и пяти четвертьволновой согласующий шлейф 308 для частоты третьей гармоники (согласующий шлейф λ/4 306 и согласующий шлейф 308 5λ/4, соответственно) расположены друг напротив друга на эффективной полуволновой линии передачи. Они расположены удаленно от транзистора 302, в частности от собственного источника тока транзистора 302, на расстоянии, равном четверти волны для частоты третьей гармоники, т.е. на выходе линии 304 четвертьволновой передачи. Четвертьволновой согласующий шлейф 306 обеспечивает разомкнутую цепь на частоте третьей гармоники, в то время как пяти четвертьволновой согласующий шлейф 308 усиливает разомкнутую цепь на частоте третьей гармоники, а также противодействует влиянию четвертьволнового согласующего шлейфа 306 на цепь нагрузки 300 на второй гармонике и основных частотах.
2
3
На выходе эффективной полуволновой линии передачи, т.е. на выходе λ/2-λ/4 линии 310 передачи, расположены четвертьволновой согласующий шлейф 314 на частоте второй гармоники и четвертьволновой согласующий шлейф 312 на основной частоте. Эти шлейфы обеспечивают цепь короткого замыкания на частоте второй гармоники.
Обеспечивая цепь короткого замыкания на частоте второй гармоники и разомкнутую цепь на частоте третьей гармоники, цепь 300 нагрузки вырабатывает выходное напряжение приблизительно прямоугольной формы сигнала напряжения и полусинусоидальную форму выходного тока, как показано на Фиг. 6 в виде функции времени. Это гарантирует, что усилитель работает с высокой эффективностью по меньшей мере 80%.
dd
шунтирования
Напряжение смещения, V, транзистора прилагается через четвертьволновой согласующий шлейф 312 для основной частоты. Четвертьволновой согласующий шлейф 312 в сочетании конденсатором С представляет собой разомкнутую цепь на основной частоте и, таким образом, не оказывает влияния на остальную часть цепи 300. На частоте второй гармоники четвертьволновой согласующий шлейф 312 и конденсатор создают цепь короткого замыкания, усиливая эффект четвертьволнового согласующего шлейфа 314 на частоте второй гармоники.
Транзисторы обычно доступны только как часть сборки, а не как отдельные компоненты. Информация о самой сборке обычно ограничена, что создает трудности при проектировании цепи нагрузки. Например, часто необходимо знать точное расстояние между выходом транзистора, т.е. плоскостью собственного генератора тока, и другими компонентами, чтобы сформировать линии передачи надлежащей длины. По этой причине очень важно иметь возможность настроить цепь нагрузки для усилителя с установленной транзисторной сборкой, а не полагаться только на гипотетическую модель.
Цепь нагрузки по настоящему изобретению позволяет выполнять независимую настройку согласующей цепи 316 и остальной части цепи 300 нагрузки. Основная согласующая цепь 316 может быть настроена для согласования полного сопротивления на основной частоте без влияния настройки оставшейся части цепи нагрузки. Это связано с добавлением и позиционированием пяти четвертьволнового согласующего шлейфа 308 для частоты третьей гармоники, который устраняет влияние четвертьволнового согласующего шлейфа 306 на согласование основной и второй гармоник, а также усиливает разомкнутую цепь для частоты третьей гармоники.
Таким образом, промежуточная часть цепи 300 нагрузки и основная согласующая цепь 316 могут в комбинации позволить устройству работать как усилитель класса F, в котором настройка соответствия необходимым гармоникам может быть выполнена промежуточной частью независимо от настройки для основной цепи, выполняемой посредством основной согласующей цепи 316.
Основная согласующая цепь 316 может быть спроектирована и настроена для определенного транзистора 302 или транзисторной сборки. Это может быть сделано заранее, а затем смонтировано в цепи нагрузки 300 определенной конфигурации изобретения. Затем можно настроить промежуточную часть, чтобы обеспечить работу класса F, не влияя на настройку основной согласующей цепи.
Основная согласующая цепь 316 может содержать дополнительное расположение линий передачи и шлейфов, а также может содержать блокирующий конденсатор постоянного тока (DC). Основная согласующая цепь 316 может быть оптимизирована для согласования на основной частоте на этапе проектирования с использованием модели транзистора 302 с учетом эффективной полуволновой линии передачи для второй гармоники.
Используя микроволновый усилитель в соответствии с настоящим изобретением, можно достичь очень высокой эффективности усилителя. В результате этой высокой эффективности может быть изготовлен микроволновый генератор для электрохирургического устройства, который меньше по размеру и его легче переносить, чем известные генераторы.
Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают, что микроволновый генератор или микроволновый усилитель может быть расположен в другой секции электрохирургического устройства, например, в рукоятке или излучающей структуре. В этих вариантах осуществления высокая эффективность усилителя означает, что сигналы частоты постоянного (DC) или сверхвысокочастотного диапазона могут передаваться в микроволновый генератор или усилитель с более низкой мощностью. Это приводит к меньшему рассеиванию мощности и облегчает реализацию охлаждения устройства.