Различные режимы работы и частотные диапазоны при соответствующей обработке автодинного сигнала позволяют получить информацию о геометрических размерах, качестве поверхности, объемных электрофизических свойствах исследуемых объектов и материалов, а также кинетических и динамических параметров и характеристик подвижных объектов с высокой точностью. Предлагаемые радиоволновые автодинные датчики КВЧ диапазона длин волн (30?300 ГГц) на высокоэффективных диодах Ганна и производство на их основе устройств, обладающих потребительскими свойствами, являются перспективными для систем (подсистем) управления и контроля неподвижных и подвижных объектов.

Представляемые автодинные датчики на диодах Ганна выполнены как в гибридно-интегральном исполнении (диапазон 42?63 ГГц [7], работающие по первой гармонике), так и в объемном исполнении, работающие как по первой (33?55 ГГц), так и по второй гармонике (70?100 ГГц). В датчиках используются серийно освоенный корпусной диод Ганна ?Охра? (АА 768) с малым потреблением тока по цепи питания [8], а в автодинах, изготовляемых по тонкопленочной технологии, использован кристалл диода по патенту РФ [9]. В корпусном диоде, изготавливаемом методом прямого монтажа, используется четырехслойная эпитаксиальная структура GaAs. Кристалл диода имеет 4 мезаструктуры диаметром 25?30 мкм, являющихся катодом. При сборке диода используется различное число мез, что обеспечивает соответствующую литеру диода по уровню выходной мощности и потребляемому току. Корпус диода КД?130 имеет диаметр 1,2 мм, высоту 2,3 мм, анодный вывод находится на держателе (корпусе) диода. Для упрощения узла крепления диода в волноводной конструкции были изготовлены опытные образцы на винтовых кристаллодержателях, высота диода составляет 7 мм, резьба метрическая М2.

В автодинных датчиках в гибридно-интегральном исполнении резонансная система выполнена на отрезках щелевой или копланарной линии передачи, применен диод Ганна с планарными электродами [9]. За счет исключения реактивных параметров, обусловленных емкостью корпуса и индуктивностью вывода в цепи питания диода, достигнута прямая генерация на частотах до 70 ГГц (по ТУ ? 63 ГГц). Кристалл диода имеет форму квадрата, катодный и анодный контакты расположены по разные стороны от центра кристалла симметрично его диагонали, причем анодный контакт имеет в сечении форму равнобедренного треугольника, обращенного основанием к центру кристалла. Автодинные датчики в гибридно-интегральном исполнении КВЧ диапазона длин волн состоят из трёх конструктивных узлов: кристалла, диэлектрической подложки с топологией и основания-теплоотвода.

Очевидно, наиболее важным узлом, определяющим параметры устройства, является кристалл, который в общем случае может содержать несколько мезапланарных диодных структур на эффекте Ганна. Мезапланарные ганновские структуры (МПГС) сформированы на поверхности эпитаксиальной плёнки GaAs и предназначены для включения в резонаторы КВЧ на планарных полосковых линиях передачи. При этом анодный и катодный электроды диодной структуры могут отличаться площадью контактов и конфигурацией. В результате проведённых исследований оптимизированы форма МПГС (за счёт взаимного расположения катодного и анодного электродов) и соотношения их площадей с точки зрения использования площади кристалла.

Кроме того, минимизирована потребляемая мощность по цепи питания и исследованы различные варианты взаимосвязи активной области МПГС с полем КВЧ резонатора [9]. Основные результаты этих исследований сводятся к следующему. Конструкция кристалла простейшего диода Ганна с двухмезовой структурой приведена на рис.1, где 1 ? катодный вывод диода, 2 ? анодный вывод, 3-5 ? омический, буферный и активный слои, 6 ? кристалл GaAs, 7 ? резонансный отрезок щелевой полосковой линии передачи. Контакт 2 большей площади Sб имеет форму равнобедренного треугольника с катетами, параллельными сторонам квадрата кристалла. Значительная разница в площадях мезаструктур обеспечивает при подаче питающего напряжения такую плотность тока в мезаструктуре 1, имеющей меньшее сечение, что она становится активной и формирует домены сильного поля. Мезаструктура 2 большего сечения является пассивной, имеет значительно большую проводимость и фактически включена последовательно с активной мезой как по питанию, так и по отношению к колебательной системе. Как показали проведённые исследования, устойчивая генерация колебаний обеспечивается при условиях, когда отношение площадей большого Sб и малого Sм контактов удовлетворяют соотношению Sб / Sм Ё 10 К1, а расстояние L между контактами равно L = К2 dn fp, где dn ? толщина активной части диода; fp ? рабочая частота КВЧ генератора, в котором используется диод, а К1 и К2 ? определяемые экспериментально коэффициенты. Величина К1 определяется технологическими и топологическими нормами на изготовление кристалла заданных параметров и находится в пределах 1,5-10, оптимальное же значение лежит в интервале 2-5. Величина К2 определяется частотным диапазоном генератора и типом резонансной системы, в которой диод используется, и, как показывает эксперимент, находится в пределах (0,5-5) ГГц?1, при этом частота измеряется в ГГц, а L и d ? в мкм. В случае малых значений К1 (1,5?2) при соответствующем увеличении питающего напряжения меза с большим сечением также переходит в активный режим, спонтанно переводя мезу с малым сечением в режим полного рассасывания домена сильного поля, когда она становится пассивной. В таком режиме эквивалентное сопротивление мезаструктуры малого сечения, включённое последовательно с активным элементом генератора, является нелинейным динамическим сопротивлением, зависящим как от условий автоколебаний на активном элементе, так и от напряжения смещения на нём. Это обеспечивает возможность высокоэффективной модуляции колебаний генератора по цепи питания, а также регистрации (выделения) автодинного отклика в данной цепи. На рис. 2 представлена топология устройства, где кристаллы 6 включены в резонансные отрезки щелевых полосковых линий 7. На теплопроводящей диэлектрической подложке 8 сформированы проводники (топология 9), 10 ? развязка по цепям питания. При создании монолитных и гибридно-монолитных автодинных генераторов на планарных линиях передач используется также 3-мезовый полупроводниковый чип [10], конструкция которого представлена на рис. 3. Цифрами обозначено: 1-3 ? проводники топологии резонансной системы, расположенные на подложке 4, 5 ? трёхмезовый кристалл GaAs, 6, 7 ? щелевые линии, образующие копланарную линию передачи, 8 ? центральный полосок копланарной линии передачи, 9 ? подложка АГЭТ арсенида галлия, 10, 11 ? активные области, 12 ? шлейфы, 13? выходной отрезок линии передачи. Данная конструкция кристалла может использоваться в качестве генераторных и управляющих элементов автодина. Кристалл монтируется непосредственно на диэлектрическую подложку, центральной мезой на полосок копланарной линии методом пайки. При создании полупроводникового кристалла и пассивной части (топологии ГИС) датчика применяются хорошо известные, освоенные технологические операции вакуумного напыления металлов, химического и плазменного травления металлов и GaAs, электрохимического осаждения Au, окисления GaAs. Катодами мезапланарных диодных структур являются непосредственно площадки самих мез, на которых также сформированы омические контакты из эвтектического сплава AuGe. Кристаллы с ганновскими мезапланарными структурами в обоих случаях монтируются непосредственно на металлические проводники платы ГИС методом обратного монтажа, обеспечивающего качественные омические контакты и минимальные переходные тепловые сопротивления в слое кристалл-подложка. Автогенераторные ГИС КВЧ на основе планарной многомезовой конструкции реализованы таким образом, что каждая активная мезаструктура может быть включена в свой резонатор аналогично вышеописанной конструкции для кристалла с двумя мезаструктурами (см. рис. 4), где обозначения те же, что на рис. 3, 14 ? развязка по цепи питания, обеспечивающая неполярный вход-выход. Взаимодействие же активных областей МПГС обеспечивает условия функционирования системы парциальных автогенераторов, связанных между собой. В общем случае частоты этих генераторов могут быть различны. При выполнении различных функций используются все мезаструктуры кристалла, а общим анодом является омический контакт, формируемый со стороны n++ подложки МЭП структуры. Особенностью конструкции является возможность электрической регулировки волнового сопротивления копланарной линии передачи путём управления фазой электромагнитных волн, возбуждаемых в щелевых линиях, образующих копланарный резонатор. Устройства, выполненные с использованием данной конструкции кристалла обеспечивают следующие режимы работы: - автодинное преобразование частоты; - режим автогенерации с АМ и ЧМ модуляцией; - автогенерация с перестройкой частоты. Предложенные конструкции малогабаритных датчиков КВЧ диапазона длин волн на высокоэффективных диодах Ганна с малым потреблением мощности по постоянному току позволяют реализовать многодатчиковые системы контроля параметров материалов, используя гармонический и полигармонический режимы работы автодинов. Например, при разработке линий связи широко применяются генераторы на диодах Ганна и смесители на ДБШ. Для осуществления амплитудной, частотной или фазовой модуляции приходится стабилизировать частоту генерируемых колебаний и использовать специальные схемы модуляторов. Применение модуляции по питанию существенно упрощает передающее устройство, но в силу зависимости частоты и амплитуды генерируемых колебаний от приложенного к диоду напряжения реализуется смешанная амплитудно-частотная модуляция с несимметричным спектром сигнала. Вкупе с частотной избирательностью смесителя это приводит к значительным искажениям передаваемого сообщения. Режим работы генератора в данном случае не оптимален. Однако при организации одноканальных линий связи малой протяженности, для которых простота является одним из главных требований, модуляция по питанию представляется наиболее предпочтительной, что позволяет применить автодинный генератор на основе трёхмезового диода Ганна, в котором может быть реализована частотно-импульсная модуляция поднесущей. Основными узлами системы являются: генератор импульсов, частота следования которых управляется передаваемым сообщением, СВЧ передатчик на диоде Ганна с модуляцией по питанию, передающая и приемная антенны, детекторный СВЧ приемник, усилитель сигнала поднесущей частоты, синхронный детектор. Частотно-модулированная последовательность импульсов с частотой следования значительно большей верхней частоты спектра сообщения управляет работой передатчика. СВЧ колебания генерируются в моменты времени, соответствующие подаче импульса и через антенну излучаются в направлении линии связи. Принимаемые сигналы детектируются, и выделяются колебания поднесущей частоты, которые усиливаются и демодулируются синхронным детектором. Кроме простоты, достоинствами такого преобразования сигнала являются возможность настройки генератора в оптимальный режим и отсутствие влияния нестабильности частоты генерируемых им колебаний на качество связи. Результаты испытания системы свидетельствуют о перспективности данного способа модуляции при организации линий связи на КВЧ, в том числе и цифровых. Регистрация полезного сигнала производится в цепи питания генератора с помощью специальной схемы, преобразующей автодинные изменения среднего значения тока диода Ганна в напряжение. Далее сигнал после соответствующего усиления и фильтрации поступает на выход датчика. Последующая обработка данного сигнала позволяет получить информацию об относительной скорости движения в диапазоне от 0,01 м/с до 1000 м/с, пройденном пути, частоты и амплитуды вибраций, решать задачу обнаружения движущихся объектов в контролируемом пространстве на расстоянии до 300-400 м в зависимости от их отражающей способности и т. д. Полученные результаты испытаний, а также конструктивная простота, экономичность, высокая надёжность и низкая стоимость предлагаемых автодинных модулей позволяет надеяться на их широкое применение, например: - на автомобильном и ж/д транспорте в радиолокационных спидометрах, устройствах предотвращения столкновений и определения сноса при торможении автомобиля [11-13]; - в устройствах сигнализации для обнаружения несанкционированного вторжения; - в контрольно-измерительной аппаратуре; - в устройствах технологических процессов на производстве, например, при контроле скрутки вала, частоты вращения подвижных узлов механизма, степени загруженности транспортёров, бункеров и контейнеров, радиографии и т. п. [1, 5, 14]. Рассмотренные конструкции радиоволновых датчиков обеспечивают высокий частотный предел в КВЧ диапазоне, что позволяет существенно повысить точность, быстродействие, обеспечить применение цифровой техники для систем контроля и управления оборудования, имеющих подвижные узлы и детали. Отсутствие же гистерезиса принципиально отличает их от датчиков других типов. Низкое питающие напряжение и низкий (сотни мкВт-единицы мВт) уровень зондирующего сигнала обеспечивает взрыво- пожаробезопасность, электромагнитную совместимость и экологическую чистоту аппаратуры.|Читать всё

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к устройствам для рефлексотерапии и физиотерапии, предназначенным для лечения заболеваний путем бесконтактного воздействия на биологически активные зоны кожной поверхности электромагнитными полями крайне высоких частот.
Электромагнитное излучение (ЭМИ) низкой, нетепловой интенсивности (< 10 мВт/см2) крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона находит самое широкое применение в медицине и биологии. В практическом здравоохранении перспективным представляется способ КВЧ-терапии, который осуществляется путем внешне направленного избирательного воздействия на рефлексогенные зоны (РЗ), в т.ч. биологически активные точки (БАТ), зоны Захарьина Геда, и др. низкоинтенсивным КВЧ излучением. В качестве источников излучения обычно применялись серийные радиоизмерительные генераторы типа Г-4-141, 142, Р2-68, 69 или экспериментальные лабораторные установки.
Однако ввиду недостаточной точности локализации воздействия на требуемую РЗ функциональные возможности применения таких устройств резко ограничены. Кроме того, КВЧ-терапия на определенной длине волны не дает возможности подбора индивидуальной терапевтической частоты для каждого больного. Такой подбор параметров КВЧ-терапии требует непрерывной перестройки частоты излучения генератора при определении терапевтической частоты, что также не исключает побочного отрицательного действия на организм излучения сравнительно большой мощности на других частотах. Сами устройства имеют к тому же относительно большие габариты и вес, что ограничивает условия их применения.
Устройства для информационно-волновой терапии (ИВТ) являются дальнейшим развитием устройств КВЧ-терапии и более компактны, имеют малый вес, автономное питание, удобны и безопасны для медицинского персонала.
Известно автономное устройство для резонансной КВЧ-рефлексотерапии, содержащее источник питания, формирователь импульсов, генератор и излучатель (см. авт. св. СССР N 1816223, кл. А 61 N 5/02, 1993). Данное устройство может быть использовано в качестве индивидуального прибора для коррекции состояния организма человека, но не обладает достаточной терапевтической эффективностью.
Известно устройство для КВЧ-терапии, содержащее КВЧ канал, содержащий источник питания генератор, на р-i-n диоде и излучатель, обеспечивающий воздействие на одной заданной частоте (см. ЕР 0563428, кл. А 61 N 5/02, 1993). Данное устройство может быть использовано в основном в диагностических и исследовательских целях.
Известно устройство для микроволновой рефлексотерапии "Порог" (см. авт. св. СССР N 1611345, кл. А 61 N 5/02, 1987). Устройство содержит генератор КВЧ-шума, фильтр верхних частот и излучатель. Данное устройство позволяет сократить время проведения процедуры и снизить суммарную поглощенную дозу микроволнового излучения за счет уменьшения времени поиска резонансных терапевтических частот. Однако надежность работы устройства невысока, так же, как и эффективность лечения, т.к. отраженный от тела пациента импульсный КВЧ-шум (ферритового вентиля) беспрепятственно попадает в генератор. В результате взаимодействия двух импульсных сигналов формируется сигнал с переменной частотой и фазой, и могут создаться условия нарушения баланса фаз и баланса амплитуд, что приведет к срыву генерации, т.е. ухудшит надежность работы устройства.
Кроме того, отсутствие ограничения частоты излученного сигнала по низким частотам может привести к тому, что пациент подвергнется воздействию частот, не являющихся терапевтическими, что уменьшит эффективность лечения.
Известно устройство для КВЧ-терапии (см. авт.св. СССР N 1697850, кл. А 61 N 5/02, 1988), которое содержит генератор шума на лавинно-пролетном диоде (ЛПД), полосовой фильтр, излучатель и источник питания. Надежность работы данного устройства невысокая, т.к. генератор работает в непрерывном режиме, что приводит к тепловому ЛПД и, в дальнейшем, к его тепловому пробою. К тому же, возможное ослабление терапевтического эффекта, а отсюда и уменьшение эффективности лечения, не позволяют достичь необходимого технического результата, что связано с неустойчивой работой генератора КВЧ-шума.
Работа генератора в режиме шумового излучения является неоптимальной с точки зрения выполнения условия баланса амплитуд, необходимого для устойчивой работы генератора. Поэтому отраженный от тела пациента сигнал, попадая в генератор, может создать такие условия, при которых произойдет срыв шумовой генерации в генерацию монохроматического сигнала, либо генерация прекратится вообще. Кроме того, ЛПД вырабатывает шумоподобный сигнал в широкой полосе частот вплоть до единиц Гц. Это приводит к модуляции тока питания ЛПД низкочастотным шумом, изменению режима работы генератора и, как следствие, к неустойчивости работы или срыву колебания. Т.к. ЛПД имеет отрицательное динамическое сопротивление в широкой полосе частот, то неконтролируемое изменение тока питания ЛПД приведет к возникновению колебаний на других частотах.
Техническим результатом изобретения является обеспечение высокого терапевтического эффекта и надежности работы устройства.
Для этого в устройство для КВЧ-терапии, содержащее КВЧ генератор на ЛПД, блок питания, полосовой фильтр, соединенный с излучателем, введен импульсный модулятор тока с переменной амплитудой, соединенный со входом генератора, при этом выход генератора соединен через введенный в устройство ферритовый вентиль с полосовым фильтром.
Применение модулирующего сигнала с переменной амплитудой приводит к тому, что на КВЧ-генератор в разные моменты времени подается от модулятора различная амплитуда тока. При изменении величины тока питания ЛПД происходит изменение частоты генерации, т.е. при применении модулирующего импульсного сигнала с переменной амплитудой генератор КВЧ вырабатывает КВЧ сигнал с изменяющейся несущей. Спектр такого сигнала расширяется по сравнению со спектром радиоимпульса, частота несущей которого неизменна. Таким образом происходит формирование из монохроматического сигнала некогерентного шумоподобного сигнала.
Т.к. генератор КВЧ вырабатывает монохроматический сигнал, т.е. режим работы является устойчивым, то не происходит срыва генерации отраженным сигналом. Кроме того, в связи с наличием ферритового вентиля не происходит, как в прототипе, самопроизвольного изменения частоты. Все это приводит к повышенной устойчивости работы, а значит, к увеличению надежности работы устройства.
Наличие полосового фильтра обеспечивает воздействие на пациента только терапевтическими частотами, лежащими в полосе пропускания фильтра, что в совокупности приводит к повышению эффективности лечения.
Таким образом совокупность выше приведенных признаков позволяет достичь необходимого технического результата, а именно увеличить эффективность лечения и повысить надежность работы устройства.
На фиг. 1 приведена схема конкретного выполнения устройства для КВЧ-терапии; на фиг. 2 показан процесс формирования шумоподобного сигнала.
Устройство для КВЧ-терапии содержит генератор 1 КВЧ-генератор на базе ЛПД, ферритовый вентиль 2, полосовой фильтр 3, излучатель 4 и модулятор 5, соединенный со входом генератора 1 КВЧ и блок питания 6. Генератор 1 КВЧ вырабатывает монохроматический сигнал, модулятор 5 вырабатывает импульсный сигнал с переменной амплитудой. Модуляция тока питания ЛПД приводит к рассыпанию спектра исходного сигнала, т.е. преобразованию исходного монохроматического сигнала в шумоподобный сигнал. При этом в устройстве для КВЧ-терапии, вырабатывающем шумоподобный сигнал, не происходит срыв шумовой генерации, что обеспечивает надежность работы.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 КВЧ на ЛПД вырабатывает монохроматический сигнал определенной мощности и частоты. При подаче на генератор 1 от модулятора 5 импульсного сигнала генератор начинает вырабатывать КВЧ сигнал в виде радиоимпульсов с несущей частотой, равной частоте работы генератора в монохроматическом режиме и огибающей, повторяющей форму, длительность и период следования импульсов, вырабатываемых модулятором 5. Процесс модуляции осуществляется по току питания ЛПД. При этом КВЧ сигнал перестает быть монохроматическим, спектр его рассыпается, и в его составе появляются дополнительные гармонические составляющие.
При использовании устройства производится установка излучателя 4 над выбранной биологически активной зоной кожного покрова и осуществляется воздействие электромагнитными полями крайне высоких частот (КВЧ).
Высокий терапевтический эффект при высокой надежности работы устройства обеспечивается режимом работы КВЧ-генератора, модуляция питания по току которого осуществляется входящим в состав модулятора 5 блокинг-генератором, вырабатывающим прямоугольные импульсы малой длительности (доли микросекунды).
Формула изобретения: УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВЧ-ТЕРАПИИ, содержащее блок питания, связанный с КВЧ-генератором на лавинно-пролетном диоде и полосовой фильтр, соединенный с излучателем, отличающееся тем, что оно снабжено импульсным модулятором тока с переменной амплитудой, обеспечивающим формирование прямоугольных импульсов малой длительности, соединенным с одним из выводов блока питания на КВЧ-генератор и ферритовым вентилем, включенным между выходом генератора и входом полосового фильтра.|Читать всё