CN102636763B - 去耦装置及基于去耦装置的磁共振射频线圈 - Google Patents

Abstract

一种去耦装置及基于去耦装置的磁共振射频线圈，包括交错设置的双微带线单元，所述双微带线单元包括：金属导带及过孔连接件，所述过孔连接件介于所述金属导带之间，连接所述金属导带。金属导带双层布置，过孔连接件穿过金属导带，把上下两层的金属导带连接，形成了双微带线单元。两个双微带线单元相对交错放置，等效于去耦电感。而且双微带线单元成扁平状设置，尺寸更加小巧。

Description

去耦装置及基于去耦装置的磁共振射频线圈

技术领域

本发明涉及电路电子技术领域，特别是涉及一种去耦装置及基于去耦装置的磁共振射频线圈。

背景技术

在电子设备中，去耦装置是重要的构件之一。例如在磁共振成像系统中，射频系统是重要组成部分，利用不同的射频脉冲序列对物体内的极化原子核（如1H，13C，19F，23N，31P，39K）激发，将产生磁共振（Magnetic Resonance，MR）信号，从而完成发射射频脉冲和接收MR信号的功能。

按照功能划分，射频系统包括接收线圈、前置放大器、混频器、自动增益控制器、滤波器、模数转换器、调制解调、耦合器、数模转换器、功分器、功放器、衰减器、发射线圈以及发射/接收切换部件等单元电路。

射频线圈根据其结构和用途可以划分为正交线圈、表面线圈以及特殊用途线圈等三种类型。用于发射和接收的正交线圈的两个线圈单元正交放置，彼此相互独立从而避免串扰，可以同时获取二维磁共振信号，使信息量增加，改善图像质量，加大扫描视场。表面线圈通常仅用于接收MR信号，可以近距离放置在受检部位来提高接收信号强度，并需要相应的发射线圈来配合使用。特殊用途线圈用于磁共振频谱中特定元素谱线测定和全脊柱检查等方面。相控阵线圈通常由多个表面线圈组成，其优势在提高了图像的信噪比(Signal to Noise RatioSNR)，拓宽了成像视场(Field of View FOV)，同时增加了信号采集的均匀性。相控阵线圈（天线）需要辅助电路将捕获的信号供给后级进一步处理，例如通道解耦、阻抗匹配或桥接电路。在接收线圈中，这种辅助电路通常包括电容、电感、平衡-不平衡转换器和低噪声前置放大器等部件。

目前，常用的去耦方式有：电感去耦、电容去耦、重叠与低噪声前置放大器相结合去耦。电感去耦的一个子类是变压器去耦，属于远程解耦方法。传统变压器是采用具有同轴的交织或相邻的螺旋线绕制的电感线圈构成的螺线管。

在传统的磁共振线圈解耦装置，请参阅图1，以两通道磁共振射频线圈为例，两通道射频收发线圈1和2是采用电感解耦电路，将线圈相邻部分分别以螺线管结构绕制在同一磁芯3上，利用其互感来抵消两通道线圈之间的耦合。

但是，传统去耦装置的尺寸较大，容易对邻近电感器造成影响，不利于电路集成化设计以及存在制造困难等缺点。

发明内容

基于此，有必要针对去耦装置尺寸较大问题，提供一种尺寸较小的去耦装置。

另外，还有必要提供一种基于去耦装置的磁共振射频线圈。

一种去耦装置，包括交错设置的双微带线单元，所述双微带线单元包括：金属导带及过孔连接件，所述过孔连接件介于所述金属导带之间，连接所述金属导带。

在其中一个实施例中，所述金属导带布置在印制电路板上，所述过孔连接件穿过所述印制电路板连接所述金属导带。

在其中一个实施例中，还包括单元连接件，所述单元连接件穿过金属导带与相邻的所述金属导带连接。

在其中一个实施例中，还包括电容器，所述电容器与所述双微带线单元串联连接。

在其中一个实施例中，所述双微带线单元为直线段、弧线段、矩形螺旋线或圆形螺旋线形状。

一种基于去耦装置的磁共振射频线圈，包括射频线圈，以及与所述射频线圈耦接的去耦装置；所述去耦装置包括包括交错设置的双微带线单元，所述双微带线单元包括：金属导带及过孔连接件，所述过孔连接件介于所述金属导带之间，连接所述金属导带。

在其中一个实施例中，所述金属导带布置在印制电路板上，所述过孔连接件穿过所述印制电路板连接所述金属导带。

在其中一个实施例中，还包括单元连接件，所述单元连接件穿过金属导带与相邻的所述金属导带连接。

在其中一个实施例中，还包括电容器，所述电容器与所述双微带线单元串联连接。

在其中一个实施例中，所述双微带线单元为直线段、弧线段、矩形螺旋线或圆形螺旋线形状。

金属导带双层布置，过孔连接件穿过金属导带，把上下两层的金属导带连接，形成了双微带线单元。两个双微带线单元相对交错放置，等效于去耦电感。而且双微带线单元成扁平状设置，尺寸更加小巧。

附图说明

图1为传统变压器去耦示意图；

图2为去耦装置的俯视图；

图3为图2去耦装置的立体图；

图4为图2去耦装置的剖视图；

图5为图2一实施例的去耦装置的双微带线单元的立体图；

图6为一实施例双微带线单元的示意图；

图7为一实施例的两通道基于去耦装置的射频线圈的示意图；

图8为一实施例的两通道射频线圈耦合的示意图；

图9为一实施例的基于去耦装置的两通道射频线圈去耦的示意图；

图10一实施例的设置在印制电路板上的基于去耦装置的磁共振射频线圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详述。

参阅附图2~4，去耦装置10包括交错放置的双微带线单元110。具体地，至少两个双微带线单元110交错设置，呈交错层迭阵列状。

结合附图5，双微带线单元110包括：金属导带111及过孔连接件113，过孔连接件113介于金属导带111之间，连接金属导带111。

金属导带111为薄片状，由导电金属制成，例如铜、铝、金、银或合金等。

过孔连接件113，为长条状，也可以是圆柱形、长方体形或者是圆环柱形等。过孔连接件113由导电金属制成，例如铜、铝、金、银或合金等。

金属导带111双层设置，过孔连接件113穿过金属导带111，把上下两层的金属导带111连接，形成了双微带线单元110。两个双微带线单元110相对交错设置，等效于去耦电感。而且双微带线单元110成扁平状设置，尺寸更加小巧。

在一个实施例中，双微带线单元110布置在印制电路板（PCB板）上，即双层设置的金属导带111之间设有PCB板机械层。金属导带111分别敷设在PCB板两侧表面，过孔连接件113穿过PCB板连接金属导带111，金属导带111敷设在PCB板两侧。在其它实施例中，过孔连接件113可以从金属导带111的端部或中部穿过，并连接PCB板的另一侧金属导带111。同时，过孔连接件113可以设置多个，确保PCB板两侧的金属导带111电连接稳定。双微带线单元110为扁平状，可以把双微带线单元110较为便捷的敷设在PCB上，使得去耦装置10的制作更为便捷，制作效率更高。

在一个实施例中，去耦装置10包括多个双微带线单元110，双微带线单元110交错设置，为双阵列状。双阵列状的去耦装置10中的一列，是由多个双微带线单元110相互连接制成。具体地，去耦装置10还包括单元连接件115，金属导带111呈L状，同一个双微带线单元110的两金属导带111的L形开口朝外设置，单元连接件115穿过金属导带111与相邻的金属导带连接。进一步地，单元连接件115穿过双微带线单元110中的一个金属导带111的L形端部与相邻的双微带线单元110中的一个金属导带111的L形端部相连接。在其它实施例中，结合附图6，双微带线单元110可以设置为直线段、弧线段、矩形螺旋线或圆形螺旋线形状，以满足不同去耦电路的设计要求。同时，去耦装置10易于集成在PCB板上，通用性较强，可以成为通用的天线去耦电路元件。

以下结合实施例分析去耦装置10，去耦装置10可等效互电感，且去耦装置10的调节是由穿过去耦装置10中双微带线单元110之间的磁通量所决定。而磁通量的大小不仅依赖于去耦装置10中双微带线单元110的个数（等效于匝数），还由磁通面积决定。在双微带线单元110尺寸确定的条件下，交错设置的双微带线单元110之间的间隙直接影响磁通量的大小，尤其磁通面积的大小。

具体地，在双微带线单元110尺寸确定的前提下，调节水平尺寸空间117，水平尺寸空间117越大，交错设置的双微带线单元110之间的磁通交叠面积就越小；反之，磁通交叠面积就越大。调节垂直尺寸空间119，垂直尺寸空间119越大，由于双微带线单元110内磁力线减少会造成穿过交错设置的双微带线单元110的磁感应强度就相对较弱；反之，磁感应强度就相对较强。因此，交错设置的双微带线单元110之间空隙的水平尺寸空间117和垂直尺寸空间119是直接影响线圈去耦装置10互感大小的重要因素。

因此，仅通过调节水平尺寸空间117和垂直尺寸空间119即可调节去耦装置10的互感大小，使得去耦装置10的去耦调节更为便捷。

在一个实施例中，去耦装置10还包括电容器，电容器与双微带线单元110串联连接。串联电容器用来补偿双微带线单元110自感引起的相位移，该电容器的大小正好将双微带线单元110引起的信号相位偏移补偿为零。

基于上述去耦装置10，还提供基于上述相同的去耦装置10的磁共振射频线圈，包括射频线圈20，以及与射频线圈20耦接的去耦装置10。

现在结合具体的实施例进行阐述，结合附图7，两通道（20A1、20A2）射频线圈，采用阻抗矩阵表述如下：

$Z_{2e}\left[\begin{array}{cc}{R}_{11}+j{X}_{11}& R_{12}+j{X}_{12}\\ R_{21}+{\mathrm{jX}}_{21}& R_{22}+j{X}_{22}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，每通道的损耗电阻与电抗分别为R₁₁、X₁₁和R₂₂、X₂₂，两通道（20A1、20A2）之间的互电阻与互电抗分别为R₁₂=R₂₁=R_2el和X₁₂=X₂₁=X_2el。

在理想情况下，调谐线圈的自电抗X₁₁=X₂₂=0。如果两通道（20A1、20A2）之间耦合程度严重，互电抗可以采用去耦装置10来消除耦合，则其阻抗矩阵表述如下：

$Z_{\mathrm{tr}{}_{}}=\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}+{\mathrm{jx}}_{11}& r_{12}+j{x}_{12}\\ r_{21}+j{x}_{21}& r_{22}+{\mathrm{jx}}_{22}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，去耦装置10两端口的损耗电阻与自感分别为r₁₁、x₁₁和r₂₂、x₂₂。去耦装置10两端口之间的互电阻和互电感分别为r₁₂=r₂₁=r_2tr和x₁₂=x₂₁=x_2tr。

当使用去耦装置10解耦时，保证去耦装置10的互电抗与两通道（20A1、20A2）射频线圈的互电抗大小相等、符号相反，即：

X_2el=-x_2tr                                      (3)

同时采用串联电容来抵消变压器的自感，把去耦装置10放置在两通道（20A1、20A2）射频线圈之间，则两通道（20A1、20A2）射频线圈的阻抗矩阵变为：

$Z_{2\mathrm{el}}^{\′}\left[\begin{array}{cc}{R}_{11}+r_{11}& R_{2\mathrm{el}}+r_{2\mathrm{tr}}\\ R_{2\mathrm{el}}+r_{2\mathrm{tr}}& R_{22}+r_{22}\end{array}\right]---\left(4\right)$

在两通道（20A1、20A2）射频线圈中利用去耦装置10和电容器（C1、C2）进行解耦，当两个相邻的射频线圈20都已调谐在特定磁共振成像设备的谐振频率上，此时它们之间存在非常强的耦合。在两通道射频线圈20之间加入去耦装置10来消除它们之间的耦合，这样对已调谐好的射频线圈几乎没有影响。

而且，去耦装置10中交错设置的双微带线单元110之间的互感系数取决于双微带线单元110的尺寸大小、板材磁导率、交错设置的双微带线单元110之间的空隙、交叠面积及双微带线单元110个数等因素。根据电磁感应定律，双微带线单元110的互感为：

M ∝μn₁n₂Sl                                       (5)

其中，μ为双微带线单元110的板材磁导率；n1、n2分别是连接两通道（20A1、20A2）射频线圈的去耦电路中单位长度内双微带线单元110的个数；S为交错设置的双微带线单元110的交叠面积，即相邻的双微带线单元110的共有横截面积；l为去耦装置10的长度。

采用上述方案，利用与电感等效的彼此相互交错设置的双微带线单元110，通过调节两者之间的交叠面积大小、双微带线单元110的高度以及双微带线单元110个数来消除两个线圈之间的耦合。

而且，采用该方案，可以实现各个通道的线圈相互独立，同时把去耦装置10设置在PCB上，实现电感解耦电路微型化，而且还降低了对附近的电感器影响，提高了磁共振设备的稳定性。

结合附图8~9，进一步描述两通道射频线圈电感耦合及解耦原理。

图8为一实施例的两通道射频线圈耦合的示意图，其中线圈20B1和线圈20B2的等效电阻分别为R11、R21，等效自电感为L11、L21和等效自电容为C11、C21，它们之间的互感用参数M表示。

图9为一实施例的基于去耦装置的两通道射频线圈去耦的示意图，线圈20B1和线圈20B2的等效自电容C12、C22，等效电阻R12、R212，等效自电感L分别为L12、L22，两线圈之间的互感32的大小为M₁₂。本发明专利所述的双微带线阵列解耦电路，在每个线圈（20B1、20B2）中将双微带线单元110与电容串联，用于抵消双微带线单元110自感引起的相位移，而双微带线单元110之间的互感33等效为M_d。

令射频线圈的工作频率为ω，则上述去耦应满足的条件为：

jωM_d＝-jωM₁₂                                        (6)

参阅附图10，根据上述方案的去耦装置10，设计具体的去耦装置10的PCB电路板。为了适用于其它装置，可以把射频线圈20替换为其它装置的线圈，也可以把去耦装置10和射频线圈20分开设计。

采用本方案的扁平状的双微带线单元110的去耦装置10，等效电感去耦装置，降低了传统的电感去耦难度，而且能够减小对邻近导体电感器的耦合强度，同时也具备尺寸小、易于加工的特点。

去耦装置10可以设置在PCB板上，提高了去耦装置10的制作效率，进而提高了经济效益。

双微带线单元110的总磁场可以通过改变双微带线单元110的介质类型、双微带线单元110的高度、相邻双微带线单元110之间的间隙和双微带线单元110的个数来控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种去耦装置，其特征在于，包括交错设置的双微带线单元，所述双微带线单元包括：金属导带及过孔连接件，所述过孔连接件介于所述金属导带之间，连接所述金属导带；

所述双微带线单元为双阵列状，且交错设置的所述双微带线单元之间空隙的水平尺寸空间和垂直尺寸空间可调节。

2.根据权利要求1所述的去耦装置，其特征在于，所述金属导带布置在印制电路板上，所述过孔连接件穿过所述印制电路板连接所述金属导带。

3.根据权利要求2所述的去耦装置，其特征在于，还包括单元连接件，所述单元连接件穿过金属导带与相邻的所述金属导带连接。

4.根据权利要求3所述的去耦装置，其特征在于，还包括电容器，所述电容器与所述双微带线单元串联连接。

5.根据权利要求1所述的去耦装置，其特征在于，所述双微带线单元为直线段、弧线段、矩形螺旋线或圆形螺旋线形状。

6.一种基于去耦装置的磁共振射频线圈，其特征在于，包括射频线圈，以及与所述射频线圈耦接的去耦装置；

所述去耦装置包括交错设置的双微带线单元，所述双微带线单元包括：金属导带及过孔连接件，所述过孔连接件介于所述金属导带之间，连接所述金属导带；

所述双微带线单元为双阵列状，且交错设置的所述双微带线单元之间空隙的水平尺寸空间和垂直尺寸空间可调节。

7.根据权利要求6所述的基于去耦装置的磁共振射频线圈，其特征在于，所述金属导带布置在印制电路板上，所述过孔连接件穿过所述印制电路板连接所述金属导带。

8.根据权利要求7所述的基于去耦装置的磁共振射频线圈，其特征在于，还包括单元连接件，所述单元连接件穿过金属导带与相邻的所述金属导带连接。

9.根据权利要求8所述的基于去耦装置的磁共振射频线圈，其特征在于，还包括电容器，所述电容器与所述双微带线单元串联连接。

10.根据权利要求6所述的基于去耦装置的磁共振射频线圈，其特征在于，所述双微带线单元为直线段、弧线段、矩形螺旋线或圆形螺旋线形状。