具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

第一实施例

本发明的第一实施例提供了一种用于磁共振成像的射频功率变换器，上述射频功率变换器可以用以进行射频功率的分配或合成。图1示出了本发明第一实施例的射频功率变换器的剖面图，如图1所示，该射频功率变换器包括印刷电路板10，该印刷电路板10包括第一电路层102、接地层106以及位于第一电路层102和接地层106之间的多个中间层104。

上述第一电路层102、中间层104和接地层106均为线路层，作为一个实施例，印刷电路板10可以包括6个线路层，上述第一电路层102和接地层106之间具有4个中间层104，相邻线路层之间设有介电层107，介电层107可以为诸如环氧树脂、特氟龙等板材制成，优选地为罗杰斯(RogerS)板材制成。在其它实施例中，可以基于需要的器件尺寸、性能参数等增加或减少线路层的个数或者介电层107层的层厚。上述各线路层可以是通过例如沉积的方法设置在在介电层上的导电金属层，该导电金属层的材料可以是铜。通过例如蚀刻的方法可以在导电金属层上形成电子电路，例如下文将描述的电容、电感等。

图2示出了本发明第一实施例的射频功率变换器的的结构示意图。如图2所示，上述第一电路层102上形成有多个并联连接的平面螺旋式电感L1，电感L1的数量可以基于需要的功率分配器或合成器的分路个数确定。虽然图2示出了通过两路并联电感形成两路功率变换器的示例，但是应当理解，可以在印刷电路板10上形成更多路的并联电感。

在一个示例中，第一电路层102为印刷电路板10的顶层电路板，通过将上述平面螺旋式电感L1形成在顶层电路板上，使得该平面螺旋式电感L1与接地层106之间具有足够的距离，从而在得到需要的电感量的同时，还能够使得平面螺旋式电感L1的尺寸可以足够小，使得功率变换器具有足够紧凑的结构。

在一个实施例中，平面螺旋式电感L1是通过在第一电路层102上形成呈螺旋状分布的具有一定宽度的平面金属带。每个平面螺旋式电感L1整体上呈方形形状，该方形形状的边长可以小于5cm(例如为3～5cm)。该平面螺旋式电感L1分别具有位于其内部的端部1022和位于其外部的端部1023，平面螺旋式电感L1的该两个端部1022、1023分别用于与其它电路元件进行电连接，将在下文进行详细描述。

本实施例中，上述多个中间层104中的至少一个上形成有第一电容C1和多个第二电容C2，具体地，每个第一电容C1和每个第二电容C2分别为形成在该中间层104上的贴片电容，具体地，可以是形成在中间层14上的导电金属片。

进一步地，第一电容C1和多个第二电容C2所在的中间层104作为第二电路层，可以是与接地层106相邻的线路层。这样，使得第一电容和第二电容C2距离接地层106具有合适的距离，以能够在获得合适的电容量的同时使得电容的尺寸足够小，便于得到更结构紧凑的功率变换器。

上述第一电容C1可以包括多个具有较小电容量的电容，也可以包括一个具有较大电容量的电容。可以基于布线、尺寸、性能等要求而定。例如，图2所示的功率变换器包括两个第一电容C1，该两个第一电容C1对称布设，以便于布线和保障功率变换器的工作效率，在其它实施例中，也可以仅设计一个尺寸较大的第一电容来代替该两个第一电容C1。

每个第一电容C1和每个第二电容C2分别是在一个中间层104上形成的扇形结构。扇形形状的圆心位置作为电容的连接节点，可以避免节点范围过大带来的较多的功率损耗。作为一个示例，该扇形结构的角度可以在110度到140度之间，半径可以在15～25mm之间。

上述多个电感L1的一端1023互相连接且分别连接第一电容C1的一端，上述多个电感L1的另一端1022分别连接该多个第二电容C2的一端，该多个第二电容C2的另一端均接地。

第一电路层102和形成有第一电容C1和第二电容C2的中间层(例如第二电路层)104之间可以设有第一过孔(例如图1中的过孔103)；形成有第一电容C1和第二电容C2的中间层104和接地层106之间可以设有第二过孔(例如图1中的过孔105)。上述过孔用于实现不同电路层之间的信号连通。例如，图2所示的两个电感L1的端部1022互相连接后，还通过一个第一过孔与第一电容C1相连接；每个电感L1的端部1023通过一个第一过孔与对应的第二电容C2相连接；每个第一电容C1、第二电容C2可以通过对应的第二过孔连接至该接地层106。

图3示出了图2所示的射频功率变换器的等效电路，根据以上描述，本实施例通过在印刷电路板上设计平面螺旋式电感和贴片电容，并将其进行电性连接以形成具有图3所示电路结构的射频功率变换器。不仅克服了现有技术中难以配置标准电感、电容元件的问题，克服了采用传输线式变换器带来的尺寸设计的挑战，实现了紧凑的器件结构，还避免了采用磁芯式传输线变换器带来的效率低的问题。

如图3所示，该射频功率变换器作为功率分配器使用时，两个电感L1与该第一电容C1连接的一端(即端口1)作为输入端，用于接收待分配的功率信号，该两个电感L1分别与两个第二电容C2连接的一端(即端口2、3)用于输出对该待分配的功率信号进行分配后得到的多路功率分配信号。

该射频功率变换器作为功率合成器使用时，端口2、3作为输入端，分别用于分别接收待合成的功率信号，端口1作为输出端，用于输出对该多路待合成的额功率信号进行合成后得到的功率合成信号。

本实施例通过在印刷电路板上形成平面螺旋式电感和标准电容元件，并将其进行电性连接以形成具有图3所示电路结构的射频功率变换器。

图4～图7示出了根据第一实施例的具有两路信号的射频功率合成器的性能测试曲线。图4所示的曲线中，横轴代表频率，纵轴代表两路信号的增益，从图4可知，在磁共振成像的中心频率(大约64MHz)处，该射频功率合成器的两路信号的增益均为3.100dB，相比理想增益(3.033dB)，只有0.067的增益损耗，并且，输出端分别相对两个输入端的增益损耗的两条曲线相重合，说明两路信号具有较好的一致性，即较好的等辐同相特性。

图5示出了该射频功率合成器的输出端(1，1)和两个输入端(2，2)、(3，3)的回损(信号反射)，从图5可知，上述三个端口的回损都足够小。

图6示出了该射频功率合成器的相位曲线，其中横轴代表频率，纵轴代表相位，由图6可知，分别对应两路信号的相位曲线相重合，说明该射频功率合成器的具有较好的相位一致性。

图7示出了该射频功率合成器的两路信号的隔离性能，其中横轴代表频率，纵轴代表两路信号的干扰特性，从图7可知，该两路信号的干扰信号较小，因此，该射频功率合成器具有较好的电气隔离特性。

第二实施例

本发明第二实施例提供的用于磁共振成像的射频功率变换器与第一实施例类似地，包括印刷电路板10，该印刷电路板10包括第一电路层102、接地层106以及位于第一电路层102和接地层106之间的多个中间层104。

上述第一电路层102、多个中间层104和接地层106均为线路层，相邻线路层之间设有介电层，介电层可以为诸如环氧树脂、特氟龙、罗杰斯(RogerS)等板材制成。在其它实施例中，可以基于需要的器件尺寸、性能参数等增加或减少线路层的个数或者介质层的层厚。上述各线路层可以是通过例如沉积的方法设置在在介电层上的导电金属层，该导电金属层的材料可以是铜。通过例如蚀刻的方法可以在导电金属层上形成例如电感元件。

图8示出了本发发明第二实施例的射频功率变换器的的结构示意图。如图8所示，上述第一电路层102上形成有多个并联连接的平面螺旋式电感L1，电感L1的数量可以基于需要的功率分配器或合成器的分路个数确定。虽然图4示出了通过两路并联电感形成两路功率变换器的示例，但是应当理解，可以在印刷电路板上形成更多路的并联电感。

在一个示例中，印刷电路板10可以包括6个线路层，第一电路层102和接地层106之间具有4个中间层104，第一电路层102为印刷电路板10的顶层电路板，通过将上述平面螺旋式电感L1形成在顶层电路板上，并在顶层电路板和接地层之间设置多个中间层，使得该平面螺旋式电感L1与接地层106之间具有足够的距离，从而在得到需要的电感量的同时，还能够使得平面螺旋式电感L1的尺寸可以足够小，使得功率变换器具有足够紧凑的结构。

在一个实施例中，平面螺旋式电感L1是通过在第一电路层102上形成呈螺旋状分布的具有一定宽度的平面金属带。每个平面螺旋式电感L1整体上呈方形形状，该方形形状的边长为3～5cm。该平面螺旋式电感L1分别具有位于其内部的端部1022和位于其外部的端部1023，平面螺旋式电感L1的该两个端部1022、1023分别用于与其它电路元件进行电连接，将在下文进行详细描述。

本实施例中，上述第一电路层102上还焊接有第一电容1026和多个第二电容C4，具体地，每个第一电容C3和每个第二电容C4分别为焊接在第一电路层102上标准电容元件。上述标准电容元件可以是按照国家或机构指定的标准加工制造的电容元件，其具有稳定的电容值，并且该电容值可以满足磁共振成像中的功率变换器的要求。

上述第一电容C3可以包括多个具有较小电容量的电容，也可以包括一个具有较大电容量的电容。可以基于布线、尺寸、性能等要求而定。例如，图4所示的功率变换器包括一个第一电容C3，在其它实施例中，也可以通过并联连接的方式设置多个具有较小电容量的标准电容元件替代该第一电容C3。

上述多个电感(平面螺旋式电感)L1一端互相连接且分别连接第一电容C3的一端，上述多个电感L1的另一端分别连接该多个第二电容C4的一端，该多个第二电容C4的另一端均接地。

第一电路层102和接地层106之间可以设有过孔。上述过孔用于将第一电路层102上的电容元件(例如第一电容和第二电容)连接至接地层106。而在第一电路层102上，电感和标准电容元件之间的连接可以通过在第一电路层102上形成的引线和焊盘进行电连接。

本发明第二实施例的射频功率变换器的等效电路与如图3所示的电路相同，根据以上描述，本实施例通过在印刷电路板上形成平面螺旋式电感和标准电容元件，并将其进行电性连接以形成具有图3所示电路结构的射频功率变换器。不仅克服了现有技术中难以配置标准电感元件的问题，克服了采用传输线式变换器带来的尺寸设计的挑战，实现了紧凑的器件结构，还避免了采用磁芯式传输线变换器带来的效率低的问题。并且，通过结合平面型电感元件和标准电容元件，实现了性能稳定性和加工难度之间的平衡。

图9～12示出了根据第二实施例的具有两路信号的射频功率合成器的性能测试曲线。图9所示的曲线中，横轴代表频率，纵轴代表两路信号的增益，从图9可知，在磁共振成像的中心频率(大约64MHz)处，该射频功率合成器的两路信号的增益均为3.159dB，非常接近理想增益(3.033dB)，因此具有较小的增益损耗。并且输出端分别相对两个输入端的增益损耗的两条曲线相重合，说明两路信号具有较好的一致性，即较好的等辐同相特性。

图10示出了该射频功率合成器的输出端(1，1)和两个输入端(2，2)、(3，3)的回损(信号反射)，从图10可知，上述三个端口的回损都足够小。

图11示出了该射频功率合成器的相位曲线，其中横轴代表频率，纵轴代表相位，由图11可知，分别对应两路信号的相位曲线相重合，说明该射频功率合成器的具有较好的相位一致性。

图12示出了该射频功率合成器的两路信号的隔离性能，其中横轴代表频率，纵轴代表两路信号的干扰特性，从12可知，该两路信号的干扰信号较小，因此，该射频功率合成器具有较好的电气隔离特性。

第三实施例

本发明第三实施例提供的用于磁共振成像系统的射频功率变换器，其结构、原理等与第一实施例或第二实施例的射频功率变换器类似，区别在于，第三实施例中，当该射频功率变换器为射频功率分配器时，其输出阻抗小于50欧姆，更具体地，小于10欧姆；当该射频功率变换器为射频功率合成器时，其输入阻抗小于50欧姆，更具体地，小于10欧姆。

在传统的磁共振成像领域中，在对射频发射链路进行测试、调试时，习惯将链路中各器件(包括射频功率合成器和/或射频功率分配器)的输入阻抗和输出阻抗均设计为50欧姆，这样便于分别对各个器件进行测试。以射频功率合成器为例，由于一般设计的射频功率放大器的输出阻抗较小(例如小于10欧姆甚至小于5欧姆)，为了使射频功率合成器与其前端连接的射频功率放大器进行阻抗匹配，需要复杂的阻抗匹配网络将射频功率放大器的输出阻抗变换为50欧姆。类似地，射频功率放大器和射频功率分配器之间也需要这样的匹配网络。

本实施例中，与传统的射频功率合成器或者射频功率分配器不同的是，射频功率变换器的输入阻抗和输出阻抗足够小，以能够直接实现与用于磁共振成像的射频功率放大器进行阻抗匹配，而不需要在射频功率放大器和射频功率变换器之间设置阻抗匹配网络，或者，仅需要非常简单的阻抗匹配单元(例如一小段传输线)就能实现阻抗匹配。在测试时，可以将射频功率放大器以及与射频功率放大器连接的射频功率分配器和射频功率合成器作为一个整体进行测试。

图13示出了将本发明第三实施例的射频功率合成器和射频功率分配器应用至磁共振成像的射频发射链路中的一个示例性框图，如图13所示，射频功率分配器131的输入阻抗依然为50欧姆，两个输出端的输出阻抗分别为6.25欧姆，通过具有简单结构的阻抗匹配单元132实现与对应的射频功率放大器133输入端之间的阻抗匹配。每个射频功率放大器133的输出端通过具有简单结构阻抗匹配单元134实现了6.25的输出阻抗，射频功率合成器135的两个输入端的阻抗也为6.25欧姆，与对应的阻抗匹配单元134的输出阻抗相匹配；射频功率分配器131的输入端的阻抗和射频功率合成器135的输出端的阻抗均为50欧姆，这样，便于将上述射频功率分配器131、阻抗匹配单元132、射频功率放大器133阻抗匹配单元134和射频功率合成器135作为一个整体的功能模块进行测试。

通过上述方式，可以采用上述结构简单的阻抗匹配单元132和134来代替复杂的网络匹配单元，或者，当通过射频功率分配器或射频功率合成器使得其输出阻抗更精确，或者通过设计射频功率合成器使得其输入阻抗更精确，上述阻抗匹配单元132和134也可以取缔，此时，射频功率分配器的输出阻抗或射频功率合成器的输入阻抗可以直接等于射频功率放大器133的最优匹配阻抗(例如一般小于10欧姆)，例如，射频功率分配器131的输出阻抗等于对应的末级放大器133的输入阻抗，射频功率合成器135的输入阻抗等于每个末级放大器133的输出阻抗。因此，本发明第三实施例的射频功率变换器可以使得发射链路的模块结构更紧凑。

并且，通过输入阻抗和输出阻抗的改变，可以进一步减小射频功率变换器本身的尺寸，例如，当采用图13所示的结构时，射频功率分配器和射频功率合成器中的平面式螺旋电感的尺寸相较第一实施例和第二实施例可以进一步缩小，例如，该电感的边长可以缩小至小于4cm(例如2～4cm)。

第四实施例

本发明第四实施例提供一种用于磁共振成像的射频发射系统，图14示例性示出了一种磁共振成像系统，如图14所示，该磁共振成像(MRI)系统140包括主磁体组件、射频发射线圈142、射频发射系统143、梯度线圈组件144、梯度线圈驱动器145、射频接收系统146、控制器单元147、数据处理单元148和扫描床149。

主磁体组件通常包括例如超导磁体141，沿该超导磁体1411周向设置有主磁体线圈，该超导磁体安装在环形的真空容器内，并限定了环绕待扫描对象200的圆柱形的成像空间。沿该成像空间的Z方向生成恒定的静磁场，如静磁场B0。MRI系统140利用所形成的静磁场B0将静磁脉冲信号发射至放置在成像空间中的待扫描对象200，使得待扫描对象体内的质子的进动有序化，产生纵向磁化矢量。

射频发射线圈142通常沿主磁体的内环设置，并用于响应从射频发射系统143发射的射频激发脉冲，以向待扫描对象200发射正交于静磁场B0的射频场B1以激发待扫描对象200体内的原子核，使纵向磁化矢量转变为横向磁化矢量。

射频发射系统143用于响应控制器单元147发出的脉冲序列控制信号来向射频发射线圈142发射射频激发脉冲。具体地，该控制器单元147可以通过例如脉冲序列发生器来产生脉冲序列，该射频发射系统143根据脉冲序列发生器发出的脉冲序列中的射频脉冲来生成射频激发脉冲，并对射频激发脉冲进行处理。该射频激发脉冲具体地为射频功率信号。将在下文结合附图15对射频发射系统143进行详细描述。

当射频激发脉冲结束后，在待扫描对象200的横向磁化矢量逐渐恢复为零的过程中产生自由感应衰减信号，即，能够被采集的磁共振信号。

在一个实施例中，射频发射系统143发射/接收模式切换开关，用以使射频发射线圈142在发射模式和接收模式之间进行切换，其中在接收模式下，射频发射线圈142可以用于接收来自待扫描对象200的磁共振信号，该磁共振信号也可以经由靠近待扫描对象200设置的射频接收线圈210进行采集。

梯度线圈组件144通常包括沿X轴、Y轴和Z轴设置的三组梯度线圈，其分别用于接收来自于梯度线圈驱动器145产生的功率驱动信号，以在成像空间中产生三维梯度磁场，以便对上述磁共振信号进行三维编码，即，提供上述磁共振信号的三维位置信息。

基于经三维编码的磁共振信号，可以重建待扫描对象的扫描部位的医学图像，这将在下文进行描述。

射频接收系统146用于接收由射频接收线圈210或者接收模式下的射频发射线圈142所采集的磁共振信号。具体地，该射频接收系统146可以包括射频前置放大器、相位检测器以及模拟/数字转换器等，其中射频前置放大器用于对射频接收线圈或者射频发射线圈接收的磁共振信号进行放大，相位检测器1062用于对放大后的磁共振信号进行相位检测，模拟/数字转换器用于将经相位检测的磁共振信号从模拟信号转换为数字信号后发送给数据处理单元148。

数据处理单元148可以对接收的数字化的磁共振信号进行预处理、重建等操作以获得需要的图像或图像数据。数据处理单元148可以包括计算机和存储介质，在该存储介质上记录要由计算机执行的预定数据处理的程序。数据信号处理单元148可以连接至控制器单元147，并且基于从控制器单元147接收到的控制信号来执行数据处理。

控制器单元147可以包括计算机和存储介质，该存储介质用于存储可以由计算机执行的程序，当计算机执行所述程序时，可以使MRI系统140的各部件实施相应的操作来对待扫描对象200进行成像扫描。

图15示出了可以用于上述磁共振成像系统140中的射频发射系统143的一种实施方式的框图。如图15所示，该射频发射系统包括射频发生器151、驱动放大器152、射频功率分配器153、末级放大器154以及初级射频功率合成器155。为了便于描述和理解，图15中的射频功率合成器155和射频功率分配器154以等效电路的形式示出，实际中该射频功率合成器155和射频功率分配器154可以是图1、图2所示的第一实施例的示例，也可以是图8所示的第二实施例的示例，还可以是图13所示的第三实施例的示例。

射频发生器151用于输出射频功率信号S1，该射频发生器151可以包括数字频率合成器、数模转换器等。如前所述的，射频发生器用于产生射频脉冲信号，在MRI扫描过程中，该射频脉冲信号施加至射频发射线圈142以激发待扫描对象(比如，患者)的待成像部位。

驱动放大器152用于对射频发生器151输出的射频功率信号进行初级放大。

射频功率分配器153可以是上述第一至第三任一实施例中的射频功率变换器，其中，该射频功率分配器中的每个电感L1与第一电容(C1或C3)连接的一端用于从驱动放大器152接收经初级放大后的射频功率信号S2，每个电感分别与对应的第二电容(C2或C4)连接的一端用于输出对信号S2进行分配后得到的多个功率分配信号S3。

每个功率分配信号S3经对应的末级放大器154进行放大。

初级射频功率合成器155用于对经各末级放大器154放大后的功率分配信号S4进行功率合成。该初级射频功率合成器155可以是上述第一至第三任一实施例中的射频功率变换器，其中，该初级射频功率合成器155中的每个电感L1分别与对应的第二电容(C2或C4)连接的一端用于分别接收经对应的末级放大器放大后的功率分配信号S4，多个电感L1与第一电容(C1或C3)连接的一端用于输出功率合成信号S5，该功率合成信号是对多个放大后的功率分配信号S4进行合成后得到的。

图16示出了可以用于上述磁共振成像系统140中的射频发射系统143的另一种实施方式的框图，如图16所示，该射频发射系统还包括次级射频功率合成器156，该次级射频功率合成器156可以是上述第一至第三任一实施例中的射频功率变换器，其中每个电感L1分别与对应的第二电容(C2或C4)连接的一端用于接收一个初级射频功率合成器输出的功率合成信号S5，该次级射频功率合成器中的多个电感L1与第一电容C1或C3)连接的一端用于输出次级功率合成信号S6，该次级功率合成信号S6是对该多个功率合成信号S5进行合成后得到的。

在其它实施方式中，射频发射系统143还可以包括其它模块或单元，例如I/Q双路开关电桥，其用于将最终的功率合成信号分成两路传输至射频发射线圈142。

如本文中所使用的，以单数叙述且冠以用词“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非此类排除被明确地陈述。此外，参照本发明的“一个实施例”并不旨在被解释为排除同时纳入所叙述的特征的额外实施例的存在。而且，除非明确叙述相反情况，实施例“包含(compriSing)”、“包括(including)”、“具有(having)”具有特定性质的元件或多个元件可包括不具有该性质的附加的这样的元件。术语“包括(including)”和“其中(in which)”被用作相应的术语“包含(compriSing)”和“其特征在于(wherein)”的简明语言对等词。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对其对象强加数值要求或特定位置顺序。

此书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，也可以使任何相关技术领域的普通技术人员能够实现本发明，包括制造并使用任何设备或系统以及执行任何涵盖的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员知道的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言没有区别的结构要素，或者它们包括与权利要求书的文字语言无实质区别的等效结构要素，则旨在使该其它示例落在权利要求书的范围内。