CN117855789A - 射频功率分配器和磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及射频电路技术领域，尤其涉及一种射频功率分配器和磁共振成像设备。射频功率分配器，包括：射频输入端口；N个功率分配支路，均从所述射频输入端口引出、并在围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，且每个所述功率分配支路均具有位于第一圆周上的支路端点、和位于第二圆周上的射频输出端口，所述第一圆周和所述第二圆周的圆心均由射频输入端口限定；N个短路电路，围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，且每个所述短路电路连接在对应的相邻两个功率分配支路的支路端点之间。本申请能够实现各路射频信号的均匀分配，并能优化每个射频输出端口的反射系数。

Description

射频功率分配器和磁共振成像设备

技术领域

本申请涉及射频电路技术领域，尤其涉及一种射频功率分配器和磁共振成像设备。

背景技术

威尔金森功分器(Wilkinson Power Divider)是一种用于将一个输入信号平均分为两个或多个输出信号的网络元件，应用领域非常广泛，其电路原理如图1所示。

在图1中，功分器包括1路输入、N路输出(N≥2)、N路λ/4(1/4波长)传输线、N个50欧姆的电阻器(假设系统阻抗为50欧姆的情况下)，电路构成非常简单，易于实现。威尔金森功分器需满足如下公式：

其中：Z₀是传输线的特征阻抗；R₀是系统的标准阻抗，本专利中一般采用50欧姆，特殊情况下也可以是其他电阻欧姆值；N是功分器输出分支的数量(图1中示例性地为8)。

从图1可以看出，对于Wilkinson Power Divider中的N个电阻器，每个电阻器的一端均与输出端口相接，另外一端再短路在一起。但是，在高频(射频)电路的实施中，电路板上的直接短路(例如通过导电迹线短路连接)，并不能等效为原理图上的“短路”，而通常会呈现一定的电感特性，这会影响功分器对射频功率的分配效果。

另外，对于图1所示的传统功分器，1个输入端口和N个输出端口之间并不能做的很好地对称分布，这影响了功分器N个输出端口之间的功率等分关系，甚至增加了各输出端口的反射，影响了功分器的效果。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题中的至少之一，本申请提出一种射频功率分配器。此外，还提出了一种具有这种射频功率分配器的磁共振成像设备。

第一方面，本申请提出一种射频功率分配器，包括：

射频输入端口；

N个功率分配支路，所述N个功率分配支路均从所述射频输入端口引出、并在围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，且每个所述功率分配支路均具有位于第一圆周上的支路端点、和位于第二圆周上的射频输出端口，其中，所述第一圆周和所述第二圆周的圆心均由所述射频输入端口限定，N为不小于2的整数；

N个短路电路，所述N个短路电路在围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，且每个所述短路电路连接在对应的相邻两个所述功率分配支路的所述支路端点之间。

在一些可能的实施例方式中，所述短路电路包括串联在对应的相邻两个所述功率分配支路的所述支路端点之间的第一电容器。

在一些可能的实施例方式中，所述短路电路包括短路线，所述短路线直线延伸，或者在所述第一圆周上呈圆弧状延伸。

在一些可能的实施例方式中，所述功率分配支路包括：

λ/4传输线，其将所述射频输入端口连接到所述射频输出端口；

电阻器，其连接在所述射频输出端口和所述支路端点之间。

在一些可能的实施例方式中，所述射频功率分配器包括介电基板，所述射频输入端口、所述N个功率分配支路和所述N个短路电路设置于所述介电基板上。

在一些可能的实施例方式中，所述λ/4传输线为位于所述介电基板上且长度为λ/4的导电迹线，所述导电迹线从所述射频输入端口延伸到所述射频输出端口，其中，λ为所述射频输入端口接收到的射频信号的波长。

或者，所述λ/4传输线包括：

第一电感器，其具有连接到所述射频输入端口的第一电极、和连接到所述射频输出端口的第二电极；

两个第二电容器，所述两个第二电容器中的一个连接在所述第一电极和接地电位之间，所述两个第二电容器中的另一个连接在所述第二电极和所述接地电位之间；

或者，所述λ/4传输线包括：

第三电容器，其具有连接到所述射频输入端口的第三电极、和连接到所述射频输出端口的第四电极；

两个第二电感器，所述两个第二电感器中的一个连接在所述第三电极和接地电位之间，所述两个第二电感器中的另一个连接在所述第四电极和所述接地电位之间。

在一些可能的实施例方式中，所述第一电感器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第一电感器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第二电容器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第二电容器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第二电感器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第二电感器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第三电容器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第三电容器以焊接到所述介电基板上的方式替换。

在一些可能的实施例方式中，所述介电基板具有相背设置的第一侧和第二侧；

其中，所述电阻器、所述第一电感器、所述第二电容器、所述第二电感器和所述第三电容器均设置在所述第一侧，所述射频输入端口连接从所述第二侧引入的射频输入线缆，所述射频输出端口连接从所述第二侧引出的射频输出线缆。

在一些可能的实施例方式中，沿所述第一圆周的径向方向，所述N个功率分配支路的距离所述射频输入端口最远的部分为所述支路端点；

在面向所述第一圆周观察时，所述N个功率分配支路互不重叠。

第二方面，本申请提出了一种磁共振成像设备，包括如第一方面所述的射频功率分配器。

根据本申请实施例提供的射频功率分配器，其各个功率分配支路及连接在功率分配支路之间的各个电路电路以围绕射频输入端口的方式沿圆周方向均匀排列，呈对称分布，由此能够实现各路射频信号的均匀分配，并能够优化每个射频输出端口的反射系数。另外，在短路电路上引入电容器的可选方案中，补偿了寄生参数的影响，即使在高频下也具有功率分配非常均匀的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1是传统威尔金森功率分配器的的电路结构示意图。

图2是本申请一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图3是图2中单个功率分配支路的结构示意图。

图4是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图5是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图6是图5中单个功率分配支路的结构示意图。

图7是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图8是图7中单个功率分配支路的结构示意图。

图9是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图10是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

图11是本申请另一实施例提供的射频功率分配器的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。可以理解，在不冲突的情况下，本文所描述的各个实施例的一些技术手段可相互替换或结合。

在本申请的描述中，若存在术语“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。由此，限定有“第一”、“第二”等的对象可以明示或者隐含地包括一个或者多个该对象，而且，例如术语“第一元件”本身并不意味着“第二元件”的存在，术语“第二元件”本身并不意味着“第一元件”的存在。此外，“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个，“多个”表示不少于两个。

在本申请的描述中，参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。

图2至图11示出了根据本申请射频功率分配器的一些实施例，在这些实施例中，射频功率分配器包括介电基板3、一射频输入端口RF IN、八个功率分配支路1和八个短路电路2，其中，射频输入端口RF IN、八个功率分配支路1和N个短路电路2均设置在介电基板3上。

介电基板3为大体的正方形，其具有在其厚度方向上相背设置的第一侧和第二侧，图中仅示出了第一侧，而第二侧被遮挡。

射频输入端口RF IN设置在介电基板3的中心位置。在实施例中，从射频发生器引出的射频输入线缆可以引入到介电基板3的第二侧、并连接例如焊接到射频输入端口RFIN，从而由射频发生器向该功率分配器的射频输入端口RF IN提供射频信号。

八个功率分配支路1均从射频输入端口RF IN引出、并在围绕射频输入端口RF IN的方向上依次均匀排列(每相邻两个功率分配支路1间隔360°/8＝45°)。

每个功率分配支路1具有相同的电路构型。具体而言，每个功率分配支路1均具有位于第一圆周上的支路端点1A、和位于第二圆周上的射频输出端口RF OUT，射频输入端口RF IN其中，第一圆周和第二圆周的圆心均由射频输入端口RF IN限定，二者同心布置，且第一圆周处在第二圆周的外围。在实施例中，可在八个射频输出端口RF OUT处分别连接例如焊接从介电基板3的第二侧引出的八个射频输出线缆，这八个射频输出线缆可以分别连接到不同的八个磁共振射频发射单元，从而为这八个磁共振射频发射单元提供相同的发射功率。

前已述及，八个功率分配支路1在围绕射频输入端口RF IN的方向上均匀排列，故这八个功率分配支路1的八个支路端点1A和八个射频输出端口RF OUT分别均匀地排列在前述第一圆周和前述第二圆周上。

八个短路电路2在围绕射频输入端口RF IN的方向上依次均匀排列，且每个短路电路2连接在对应的相邻两个功率分配支路1的支路端点1A之间，或者说，每相邻两个功率分配支路1的支路端点1A通过对应的一个短路电路2相连接，以实现相邻功率分配支路1在各自的支路端点1A处短路连接。

沿第一圆周的径向方向(也是第二圆周的径向方向)，八个功率分配支路的距离射频输入端口最远的部分为支路端点。换句话说，支路端点是功率分配支路在第一圆周的径向方向上距离射频输入端口最远的部分。

另外，在面向第一圆周(也是面向第二圆周)观察时，八个功率分配支路互不重叠。换句话说，在面向第一圆周观察时，任意两个功率分配支路之间均没有彼此重叠的部分。

在图2、图5和图7所示的这些实施例中，每个短路电路2均为设置在介电基板3上的导电迹线(短路线的一例)，而且各个导电迹线具有相同的构型。

具体而言，在图2、图5和图7所示的各个实施例中，构成短路电路2的导电迹线以围绕射频输入端口RF IN在前述第一圆周上呈圆弧状延伸，由此，该射频功率分配器的电路结构的外轮廓为圆形。但在图11所示的实施例中，构成短路电路2的导电迹线在相邻两个功率分配支路的支路端点1A之间直线延伸，由此，射频功率分配器的电路结构的外轮廓为正八边形。

在图4、图9和图10所示的这些实施例中，短路电路2不是单纯的导电迹线，而且还包括电容器C1，电容器C1串联在对应的相邻两个功率分配支路1的支路端点1A之间。具体而言，对于相邻的两个功率分配支路的两个支路端点1A，为便于说明将这两个支路端点1A分别称为第一支路端点和第二支路端点，则可以在介电基板3上设置从第一支路端点向第二支路端点延伸但在中途终止的一导电迹线，并在介电基板3上设置从第二支路端点向第一支路端点延伸但在中途终止的另一导电迹线，两导电迹线隔开一定间距，并在该间距的两端处分别设置位于介电基板3的第一侧的两个焊盘，这两个焊盘分别电性地连接到前述两个导电迹线的伸出端，电容器C1的两个电极分别焊接到这两个焊盘上。

可以理解，在图2、图5、图7和图11所示的各个实施例中，当射频信号的频率较高时，仅由导电迹线形成的短路电路2并不能很好地实现真正的短路，而是呈现一定的电感特征。但在图4、图9和图10所示的这些实施例中，通过在短路电路2上引入电容器C1，能够抵消前述电感特性，从而实现了各功率分配支路1两两之间的短路效果，进而对功率的平均分配、及每个射频输出端口RF OUT的反射系数进行了效果显著的优化。

每个功率分配支路1还包括λ/4传输线和电阻器R。λ/4传输线将射频输入端口RFIN连接到射频输出端口RF OUT。电阻器R连接在射频输出端口RF OUT和支路端点1A之间。其中，λ为射频输入端口RF IN接收到的射频信号的波长。电阻器R的阻值可以是50欧姆。

在图2和图4所示的实施例中，λ/4传输线是长度为λ/4(四分之一波长)的微带线，该微带线例如可以通过薄膜工艺形成在介电基板3上，而不可拆卸。该微带线从射频输入端口RF IN延伸到射频输出端口RF OUT。

在图5和图9所示的实施例中，λ/4传输线包括电感器L1和两个电容器C2。电感器L1具有连接到射频输入端口RF IN的第一电极(在图6中位于电感器L1的左部)和连接到射频输出端口RF OUT的第二电极(在图6中位于电感器L1的右部)。两个电容器C2中的一个连接在第一电极和接地电位GND之间，两个电容器C2中的另一个连接在第二电极和接地电位GND之间。接地电位GND可由设置在介电基板3上的导电铜层提供。

并且，电感器L1可从介电基板3上拆离，并被另一个电感器以焊接到介电基板3上的方式替换；电容器C2也可从介电基板3上拆离，并被另一个电容器以焊接到介电基板3上的方式替换。具体来说，在介电基板3的前述第一侧设置有用于焊接电感器L1的引脚(或称电极)和电容器C2的引脚的焊盘，通过将电感器L1的引脚和电容器C2的引脚能够选择性地焊接到对应的焊盘上及从对应的焊盘拆离，以此方式，能够灵活地更换不同的电感器L1和电容器C2，来优化和调整电路参数，从而在一个电路板上实现不同频率的射频功率分配。

而在图7和图10所示的实施例中，λ/4传输线包括电容器C3和两个电感器L2。电容器C3具有连接到射频输入端口RF IN的第三电极(在图8中位电容器C3的左部)和连接到射频输出端口RF OUT的第四电极(在图8中位于电容器C3的右部)。两个第二电感器L2中的一个连接在第三电极和接地电位GND之间，两个第二电感器L2中的另一个连接在第四电极和接地电位GND之间。

并且与上述情况类似，电感器L2也可从介电基板3上拆离，并被另一个电感器以焊接到介电基板3上的方式替换；电容器C3也可从介电基板3上拆离，并被另一个电容器以焊接到介电基板3上的方式替换。具体来说，在介电基板3的前述第一侧设置有用于焊接电感器L2的引脚和电容器C3的引脚的焊盘，通过将电感器L2的引脚和电容器C3的引脚能够选择性地焊接到对应的焊盘上及从对应的焊盘拆离，以此方式，能够灵活地更换不同的电感器L2和电容器C3，来优化和调整电路参数，从而在一个电路板上实现不同频率的射频功率分配。

图5、图7、图9和图10中由电容器和电感器组合构成的λ/4传输线，在电路功能上可等效为图2、图4和图11中的λ/4长度的微带线，或者说，图2、图4和图11中的微带线，图5和图9中的双电容器+单电感器组合，图7和图10中的双电感器+单电容器组合，是λ/4传输线的三种具体实现形式。不过，相比于图2、图4和图11中作为λ/4传输线而不能被更换的微带线，图5、图7、图9和图10所示λ/4传输线中的电容器和电感器是相对于介电基板3的分立器件，可根据需求被拆除更换，从而能够实现不同频率的射频功率分配。

可以理解，功率分配支路1及短路电路2的数量也可以是二个，三个，四个或更多个。

另外，本申请实施例还提供了一种磁共振成像设备，该磁共振成像设备包括上述结构的射频功率分配器、射频发生器以及磁共振发射线圈。其中，射频发生器的输出端经由线缆从介电基板3的第二侧连接到射频输入端口RF IN，各个射频输出端口RF OUT经由从介电基板3的第二侧引出的线缆连接到对应的磁共振发射线圈。

Claims (10)

1.一种射频功率分配器，其特征在于，包括：

射频输入端口；

N个功率分配支路，所述N个功率分配支路均从所述射频输入端口引出、并在围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，每个所述功率分配支路均具有位于第一圆周上的支路端点、和位于第二圆周上的射频输出端口，其中，所述第一圆周和所述第二圆周的圆心均由所述射频输入端口限定，N为不小于2的整数；

N个短路电路，所述N个短路电路在围绕所述射频输入端口的方向上依次均匀排列，且每个所述短路电路连接在对应的相邻两个所述功率分配支路的所述支路端点之间。

2.根据权利要求1所述的射频功率分配器，其特征在于，所述短路电路包括串联在对应的相邻两个所述功率分配支路的所述支路端点之间的第一电容器。

3.根据权利要求1所述的射频功率分配器，其特征在于，所述短路电路包括短路线，所述短路线直线延伸，或者在所述第一圆周上呈圆弧状延伸。

4.根据权利要求1所述的射频功率分配器，其特征在于，所述功率分配支路包括：

λ/4传输线，其将所述射频输入端口连接到所述射频输出端口；

电阻器，其连接在所述射频输出端口和所述支路端点之间。

5.根据权利要求4所述的射频功率分配器，其特征在于，所述射频功率分配器包括介电基板，所述射频输入端口、所述N个功率分配支路和所述N个短路电路设置于所述介电基板上。

6.根据权利要求5所述的射频功率分配器，其特征在于，

所述λ/4传输线为设置于所述介电基板上的微带线，所述微带线从所述射频输入端口延伸到所述射频输出端口；

或者，所述λ/4传输线包括：

第一电感器，其具有连接到所述射频输入端口的第一电极、和连接到所述射频输出端口的第二电极；

两个第二电容器，所述两个第二电容器中的一个连接在所述第一电极和接地电位之间，所述两个第二电容器中的另一个连接在所述第二电极和所述接地电位之间；

或者，所述λ/4传输线包括：

第三电容器，其具有连接到所述射频输入端口的第三电极、和连接到所述射频输出端口的第四电极；

两个第二电感器，所述两个第二电感器中的一个连接在所述第三电极和接地电位之间，所述两个第二电感器中的另一个连接在所述第四电极和所述接地电位之间。

7.根据权利要求6所述的射频功率分配器，其特征在于，所述第一电感器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第一电感器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第二电容器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第二电容器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第二电感器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第二电感器以焊接到所述介电基板上的方式替换；

所述第三电容器可从所述介电基板上拆离，并被另一个第三电容器以焊接到所述介电基板上的方式替换。

8.根据权利要求6或6所述的射频功率分配器，其特征在于，所述介电基板具有相背设置的第一侧和第二侧；

其中，所述电阻器、所述第一电感器、所述第二电容器、所述第二电感器和所述第三电容器均设置在所述第一侧，所述射频输入端口连接从所述第二侧引入的射频输入线缆，所述射频输出端口连接从所述第二侧引出的射频输出线缆。

9.根据权利要求1所述的射频功率分配器，其特征在于，

沿所述第一圆周的径向方向，所述N个功率分配支路的距离所述射频输入端口最远的部分为所述支路端点；

在面向所述第一圆周观察时，所述N个功率分配支路互不重叠。

10.一种磁共振成像设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的射频功率分配器。