CN113782936A - 一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，所述转换器包括：以具有至少双层屏蔽层的射频同轴电缆的第一屏蔽层作为内导体，第二屏蔽层作为外导体；所述第一屏蔽层与第二屏蔽层之间设有介质层；所述介质层用于填充不同材质的介质；设置所述双层屏蔽层的开路端与短路端之间的距离，以等效四分之一波长的传输线。本申请不涉及到分立元器件电感、电容等，也未应用浮动套装类的结构。本申请完全与同轴电缆融于一体，可实现巴伦轻型化、柔性的、隐藏式的，无需安装套筒式结构，无需额外调谐，不影响电缆的弯折和其他机械以及电气特性等功能。

Description

一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器

技术领域

本申请涉及非平衡到平衡转换技术领域，特别是涉及一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器。

背景技术

非平衡到平衡转换器或者称之为巴伦(balun)，是一种通过将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。巴伦的功能在于使系统具有不同阻抗或与差分/单端信令兼容。

在磁共振系统中，大量的射频线圈、射频电路采用了差分式对称结构，而传输这些射频信号的射频电缆大多采用同轴式的非平衡结构。这样就需要不平衡到平衡电路的转换器来连接匹配不同的射频组件、射频线圈和射频电缆，以保证射频系统信号有效的不被干扰的传输到系统终端设备进行模拟数字转换。

磁共振应用中的巴伦或者不平衡到平衡电路的转换器大都采用谐振式结构，如图1所示，展示为分立元器件巴伦等效电路示意图，这种谐振式结构主要是利用地线或者额外屏蔽线的等效电感L，与装接的电容C形成该频段的谐振电路来实现不平衡到平衡电路的转换；另外还有利用四分之一波长传输线来实现不平衡到平衡电路的实现方式，该原理示意图如图2所示，应用这一实现方式的可如专利CN208739462U中提出的，印刷电路板传输线等效四分之一波长实现方式。而上述这些传统应用的巴伦无非是在电路中用电感和电容分立元器件来实现，或者如后者在同轴线缆外表面再套装一个浮动的类似筒状结构的外置式等效电感和电容来实现。

但传统通过电路分立元器件来实现的巴伦应用的范围和效果非常有限，通常只在线圈匹配和放大电路前后级出现，并不能解决长距离同轴线传输带来的非平衡问题；而套装在同轴线缆外表面的浮动巴伦，需要在长距离同轴线的多个位置安装，并且增加线缆整体的尺寸和安装的不易性，此外还会给线缆布局带来额外的限制；CN208739462U中提出的印刷电路板传输线，是平面结构不方便做长距离布线，以及双面屏蔽层的结构带来侧面电磁场的泄露，整体屏蔽效果不佳。

因此，针对传统分立元器件巴伦的局限性以及浮动巴伦带来的电缆安装、布局的不易性，有必要提出一种全新的与射频同轴电缆融为一体的、柔性的、不会限制电缆折弯和布局的不平衡到平衡电路的转换器。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，以解决现有技术中传统分立元器件巴伦的局限性以及浮动巴伦带来的电缆安装、布局的不易性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，所述转换器包括：以具有至少双层屏蔽层的射频同轴电缆的第一屏蔽层作为内导体，第二屏蔽层作为外导体；所述第一屏蔽层与第二屏蔽层之间设有介质层；所述介质层用于填充不同材质的介质；设置所述双层屏蔽层的开路端与短路端之间的距离，以等效四分之一波长的传输线。

于本申请的一实施例中，调整所述介质层中介质的材质与填充厚度，以改变所述双层屏蔽层的开路端与短路端之间的距离。

于本申请的一实施例中，所述介质层填充有第一介质；所述第一介质为常用介质；所述第一介质的介电常数为1-2之间。

于本申请的一实施例中，所述第一介质为发泡PE材料或聚乙烯类材料。

于本申请的一实施例中，当所述第一介质的填充厚度在厘米级时，在第一介质中等效四分之一波长的传输线的长度与在空气中等效四分之一波长的传输线的长度近似。

于本申请的一实施例中，所述第一介质的厘米级填充厚度在1mm-15mm之间。

于本申请的一实施例中，所述第一介质的填充厚度在毫米级时，所述第一屏蔽层与第二屏蔽层之间可形成等效电容，以缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

于本申请的一实施例中，所述第一介质的毫米级填充厚度在0.1mm-0.8mm之间。

于本申请的一实施例中，所述介质层填充有第二介质；所述第二介质为高介电常数介质；所述第二介质的介电常数大于第一介质的介电常数，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

于本申请的一实施例中，所述第二介质的介电常数大于20，所述第二介质的填充厚度在毫米级，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

于本申请的一实施例中，所述第二介质为陶瓷或高介电矿物。

于本申请的一实施例中，所述介质层还填充有第二介质，所述第二介质的介电常数大于20，所述第二介质以粉末形式混杂于发泡PE材料或聚乙烯类材料的第一介质中，以供形成高介电常数的同时维持介质柔软度。

于本申请的一实施例中，所述第一屏蔽层采用缠绕金属带；所述第二屏蔽层采用金属编织网。

综上所述，本申请的一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，具有以下有益效果：

本申请不会涉及到分立元器件电感、电容等，也不会应用到浮动套装类的结构。本申请完全与同轴电缆融于一体，可实现巴伦轻型化、柔性的、隐藏式的，无需安装套筒式结构，无需额外调谐，不影响电缆的弯折和其他机械以及电气特性等功能。

附图说明

图1显示为现有技术中分立元器件巴伦等效电路示意图。

图2显示为现有技术中四分之一波长传输线实现不平衡到平衡电路的原理示意图。

图3显示为本申请于一实施例中基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器的结构示意图。

图4显示为本申请中四分之一波长阻抗变换器的原理示意图。

图5显示为本申请于另一实施例中基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

传统通过电路分立元器件来实现的巴伦应用的范围和效果非常有限，通常只在线圈匹配和放大电路前后级出现，并不能解决长距离同轴线传输带来的非平衡问题；而套装在同轴线缆外表面的浮动巴伦，需要在长距离同轴线的多个位置安装，并且增加线缆整体的尺寸和安装的不易性，此外还会给线缆布局带来额外的限制；CN208739462U中提出的印刷电路板传输线，是平面结构不方便做长距离布线，以及双面屏蔽层的结构带来侧面电磁场的泄露，整体屏蔽效果不佳。

因此，针对传统分立元器件巴伦的局限性以及浮动巴伦带来的电缆安装、布局的不易性，本申请提出一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，其不会涉及到分立元器件电感、电容等，不会应用到浮动套装类的结构，其为一种全新的与射频同轴电缆融为一体的实现方式，实现巴伦轻型化、柔性化，便捷无需安装，无需额外调谐，不限制电缆的弯折和布局，不影响线缆的其他机械以及电气特性等功能。

一般射频电缆和电缆线束组件为了保障其一项基本性能屏蔽能力，在导体外表面都有一层缠绕导体的金属编织的屏蔽层。为了达到良好的屏蔽效果，绝大多数的射频同轴电缆又会有两层屏蔽作双层屏蔽效果。在电缆的第一层屏蔽和第二层屏蔽之间往往有一层介质层，这层介质会保障两层屏蔽之间的绝缘属性。

本申请提出的一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器正是利用同轴电缆本身双层屏蔽的结构特点，来形成类似浮动套筒类的四分之一波长传输线。

如图3所示，展示为本申请一实施例中的基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器的结构示意图。如图所示，所述转换器包括：

以具有至少双层屏蔽层的射频同轴电缆的第一屏蔽层1作为内导体，第二屏蔽层2作为外导体；所述第一屏蔽层1与第二屏蔽层2之间设有介质层3；所述介质层3用于填充不同材质的介质，介质通过压合或填充设置在第一屏蔽层1与第二屏蔽层2之间；设置所述双层屏蔽层的开路端4和短路端5的距离，以等效四分之一波长的传输线，即将双层屏蔽层的开路端4和短路端5的距离根据等效四分之一波长的长度相应设置。

简单来说，利用射频同轴电缆的双层屏蔽层中的第一层屏蔽层作为转换器的内导体，而第二层屏蔽层作为转换器的外导体。其中，所述第一屏蔽层1可采用缠绕金属带，所述第二屏蔽层2可采用金属编织网，从而可保证电缆本身的弯折特性和屏蔽性能。举例来说，缠绕金属带为单面铝箔或双面铝箔，金属编织网采用64/012mm铝镁丝。当然，所述射频同轴电缆还包括最内层的导体和最外层的外被层。

进一步地，双层屏蔽层之间的介质可填充不同性质的材料，从而可达到本专利提出的不平衡到平衡电路转换技术可实现的不同效果，双层屏蔽层的开路端4和短路端5间需要相距等效四分之一波长的传输线，且所填充介质的介电常数越高，所需等效四分之一波长的传输线的长度越短。

不难看出，本申请是基于四分之一波长变换器的原理实现的。其原理可参考图4所示，具体来说，纯电阻负载Z_L与特性阻抗为Z₀传输线连接时，如果Z_L≠Z₀，传输线上会产生反射波，传输线处于失配状态，此时在传输线与负载电阻之间加一段长度l为四分之一波长λ/4的奇数倍的匹配线可实现传输线与负载之间的匹配，即为实现匹配，可在传输线与负载电阻之间加一段特性阻抗为Z1的传输线。此电路装置即为四分之一波长变换器。

本申请提出一种全新的与射频同轴电缆融为一体的实现不平衡到平衡电路的方案，并且通过调整所述介质层中介质的材质与填充厚度，可实现调整传输线等效四分之一波长的实际距离。与现有技术相比，实现本申请的特点在于：

1)集成到电缆本身加工生产工艺当中，在生产制造射频电缆的时候就需要把这些元素考虑到并且实施到电缆制作工程中去，而不是额外用一个独立于电缆外设计的部件去实现非平衡到平衡转换的功能；

2)此外，不影响原电缆的特性，如弯折性和电气特性等。

整体来说，本申请提出的基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，完全与同轴电缆融于一体，可实现轻型化和隐藏式，便捷无需安装，无需额外调谐，且仍具有电缆的柔性特性，不影响电缆的弯折和其他机械以及电气特性。

需要说明的是，于本申请中，调整所述介质层3中介质的材质与填充厚度，可改变所述双层屏蔽层的开路端4与短路端5之间的距离，具体可包括以下三种实施例。

第一实施例

如图3所示，其对应第一实施例。在该实施例中，所述介质层3填充有第一介质，所述第一介质为常用介质；所述第一介质的介电常数为1-2之间；优选地，所述第一介质为发泡PE材料或聚乙烯类材料。

其中，当所述第一介质的填充厚度在厘米级时，优选地其填充厚度在1mm-15mm之间，传输线的等效四分之一波长的长度与填充介质为空气时，传输线的等效四分之一波长的长度近似。

具体来说，在双层屏蔽之间填充常用介质，用发泡PE材料或者聚乙烯类材料填充，填充厚度在厘米级以下(1mm-15mm之间)，可以保证线缆的柔性和折弯特性。通常波长与频率之间成反比关系，在真空或者空气介质中：

而在其他介质中：

如果用发泡PE或者聚乙烯类材料，它们的介电常数为1-2之间，因此在这些介质中传播的波长和空气中相差不大。此时等效四分之一波长的传输线长度与空气中的等效长度相差无几，因而需要较长的实际传输线长度来实现此类结构。

第二实施例

如图5所示，在该实施例中，所述介质层3填充的还是第一介质，所述第一介质为发泡PE材料或聚乙烯类材料等常用介质。与第一实施例不同的是，所述第一介质的填充厚度在毫米级时，优选毫米级填充厚度在0.1mm-0.8mm之间，所述第一屏蔽层1与第二屏蔽层2之间可形成等效电容6，以缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

具体来说，在两层屏蔽之间填充发泡PE材料或者聚乙烯类材料等普通介质，但控制介质层3厚度在毫米级(0.1-0.8mm之间)以下，可使两层介质之间形成等效电容6效应，如图5中所示的等效电容6分布会改变整段传输线的阻抗特性。简单来说，分布的等效电容6的两端有相互吸引的趋势，这会增大电子运动的阻力，就好比两块磁铁南极和北极分别贴着放在桌面的上下侧，相互吸引，会增大两块磁铁运动的阻力，因此分布的等效电容6会缩短信号的传输距离，这样的特性可以大幅缩短等效四分之一波长传输线的实际长度。

第三实施例

可参考图3，在该实施例中，所述第一屏蔽层1与第二屏蔽层2之间填充有第二介质。其中，所述第二介质优选为陶瓷或高介电矿物的高介电常数介质，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度，所述高介电常数的介质层可以使得填充厚度在2-8mm之间；进一步的，所述第二介质的介电常数大于20。

优选的，于本实施例中，所述第二介质以粉末形式混杂于发泡PE材料或聚乙烯类材料的第一介质中，以形成高介电常数的同时维持介质柔软度。

进一步优选的，为形成寄生电容效应，即所述第一屏蔽层1与第二屏蔽层2之间形成等效电容6，所述介质层3的厚度在毫米级，进一步优选毫米级填充厚度在0.1mm-0.8mm之间，如图5所示。

简单来说，在两层屏蔽之间填充高介电常数的材料，如陶瓷、高介电矿物等，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度；同时为了维持介质的柔软度，填充介质可以为陶瓷粉末、高介电矿物粉末混杂在发泡PE材料或者聚乙烯类材料等普通材料中，从而形成介电常数较高的新介质。

通常波长与频率之间成反比关系，在真空或者空气介质中：

而在其他介质中：

如果用介电常数较高的新介质材料，如高介电常数的材料的介电常数往往大于20，因此在这些介质中传播的波长比空气中传播的波长减少了很多倍。因而也可大幅度的缩短等效四分之一波长传输线的实际长度。

于一或多个实施例中，本申请所述的基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，可在同轴电缆生产制作工艺中实施，实现与同轴电缆的一体化设计，并且可使生产的成品电缆与传统电缆相比，无论从机械特性还是从电气特性上相比都毫无差异。

综上所述，本申请提出的一种新型不平衡到平衡电路转换(巴伦)技术，不涉及到分立元器件电感、电容等，也未应用浮动套装类的结构。本申请完全与同轴电缆融于一体，可实现巴伦轻型化、柔性的、隐藏式的，无需安装套筒式结构，无需额外调谐，不影响电缆的弯折和其他机械以及电气特性等功能。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种基于双层屏蔽层的射频同轴电缆的非平衡到平衡转换器，其特征在于，所述转换器包括：

以具有至少双层屏蔽层的射频同轴电缆的第一屏蔽层作为内导体，第二屏蔽层作为外导体；

所述第一屏蔽层与第二屏蔽层之间设有介质层；所述介质层用于填充不同材质的介质；

设置所述双层屏蔽层的开路端与短路端之间的距离，以等效四分之一波长的传输线。

2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，调整所述介质层中介质的材质与填充厚度，以改变所述双层屏蔽层的开路端与短路端之间的距离。

3.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述介质层填充有第一介质；所述第一介质为常用介质；所述第一介质的介电常数为1-2之间。

4.根据权利要求3所述的转换器，其特征在于，所述第一介质为发泡PE材料或聚乙烯类材料。

5.根据权利要求3所述的转换器，其特征在于，当所述第一介质的填充厚度在厘米级时，在第一介质中等效四分之一波长的传输线的长度与在空气中等效四分之一波长的传输线的长度近似。

6.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述第一介质的厘米级填充厚度在1mm-15mm之间。

7.根据权利要求3所述的转换器，其特征在于，所述第一介质的填充厚度在毫米级时，所述第一屏蔽层与第二屏蔽层之间可形成等效电容，以缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

8.根据权利要求7所述的转换器，其特征在于，所述第一介质的毫米级填充厚度在0.1mm-0.8mm之间。

9.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述介质层填充有第二介质；所述第二介质为高介电常数介质；所述第二介质的介电常数大于第一介质的介电常数，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，所述第二介质的介电常数大于20，所述第二介质的填充厚度在毫米级，可缩短等效四分之一波长的传输线的实际长度。

11.根据权利要求10所述的转换器，其特征在于，所述第二介质为陶瓷或高介电矿物。

12.根据权利要求7或8所述的转换器，其特征在于，所述介质层还填充有第二介质，所述第二介质的介电常数大于20，所述第二介质以粉末形式混杂于发泡PE材料或聚乙烯类材料的第一介质中，以供形成高介电常数的同时维持介质柔软度。

13.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述第一屏蔽层采用缠绕金属带；所述第二屏蔽层采用金属编织网。

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