功率合成器及医疗设备的制作方法

本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种功率合成器及医疗设备。

背景技术：

功率合成器就是将相等或者近似相等的几种小功率信号合成为一路大功率或较大功率的输出信号的合成网络。根据输出功率的大小采用合成器的多路或少路合成，合成网络的方式可以根据固态产品的工作频率的不同而采用不同的方式对待。主要采用功率合成技术，用于检测，对抗，医疗等行业中。

功率合成器需要设置多个50欧姆的隔离电阻，多个隔离电阻的一端需要连接在一起。在大功率情况下，电阻的尺寸较大，将多个隔离电阻相连的传输线的电长度较大，功率合成器的匹配性能和隔离性能将会受到影响。

技术实现要素：

基于此，有必要针对在大功率情况下，电阻的尺寸较大，将多个电阻相连的传输线的电长度较大，功率合成器的匹配性能和隔离性能将会受到影响的技术问题，提供一种功率合成器及医疗设备。

一种功率合成器，包括：微波合路、隔离电路以及至少两条微波支路；

至少两条所述微波支路的一端与所述微波合路的一端连接；所述微波支路的另一端设置有第一端口；所述微波合路的另一端设置有第二端口；至少两条所述微波支路的第一端口可用于接收至少两组电信号，通过所述微波支路和微波合路可用于将至少两组电信号合成为合路信号并通过第二端口输出；

所述隔离电路的数量与所述微波支路的数量相同；所述隔离电路的第一端分别连接至相对应的微波支路，所述隔离电路的第二端相互连接；

所述隔离电路包括串联的隔离电阻以及谐振电容；

通过调整谐振电容大小，以调整第一端口阻抗特性。

在其中一个实施例中，所述功率合成器还包括输出电容；

所述输出电容并联在所述第二端口上，通过调整输出电容大小，以调整第二端口阻抗特性。

在其中一个实施例中，所述隔离电阻的阻值与所述隔离电路的电长度负相关。

在其中一个实施例中，所述功率合成器设置在pcb板上，所述pcb板包括顶层金属层、中间金属层以及底层金属层，顶层金属层与中间金属层之间设置有第一介质层，中间金属层与底层金属层之间设置有第二介质层。

在其中一个实施例中，所述微波支路设置在所述顶层金属层。

在其中一个实施例中，所述隔离电阻之间通过电阻连接线相连，所述电阻连接线设置在所述中间金属层。

在其中一个实施例中，所述第二端口的阻抗为50欧姆。

在其中一个实施例中，所述隔离电阻的阻值为50欧姆。

在其中一个实施例中，每个所述第一端口的阻抗为50欧姆。

一种医疗设备，包括上述功率合成器。

上述功率合成器及医疗设备，通过在每个隔离电阻靠近公共端一侧，即隔离电阻相连接一侧串联谐振电容，调整谐振电容电容值的方式，对寄生电感进行谐振，且使功率合成器的各个输入第二端口具有良好的阻抗匹配以及良好的隔离性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的功率合成器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的功率合成器的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的功率合成器的奇模分析图；

图4为本发明另一实施例的功率合成器的偶模分析图；

图5为本发明一实施例的功率合成器的端口驻波比随频率变化的曲线图；

图6为本发明一实施例的功率合成器的端口插损随频率变化的曲线图；

图7为本发明一实施例的功率合成器的端口隔离随频率变化的曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为功率合成器。

目前大功率分配/合成器主要针对源负载和匹配负载都是实数阻抗条件下进行设计，如源负载z0和负载阻抗r1、r2均为50欧姆的二等分威尔金森(wilkinson)分配/合成器。一般来说，该种功分器采用两根并联的特征阻抗线进行功率分配/合成，两根特征阻抗线均为70.7欧姆的1/4波长传输线，隔离电阻r为100欧姆。

请参阅图1，图1为本发明一实施例的功率合成器的结构示意图。

在一个实施例中，功率合成器包括：微波合路、隔离电路以及至少两条微波支路；

至少两条微波支路的一端与微波合路的一端连接；微波支路的另一端设置有第一端口；微波合路的另一端设置有第二端口；至少两条微波支路的第一端口可用于接收至少两组电信号，通过微波支路和微波合路可用于将至少两组电信号合成为合路信号并通过第二端口输出；

隔离电路的数量与微波支路的数量相同；隔离电路的第一端分别连接至相对应的微波支路，隔离电路的第二端相互连接；

隔离电路包括串联的隔离电阻r1以及谐振电容c1；

通过调整谐振电容c1大小，以调整第一端口阻抗特性。

可以理解的，三路低功率电信号分别输入微波支路，经过微波支路传输后在微波合路进行合成，形成高功率能量后从第二端口输出。

示例性地，功率分配器与功率合成器的结构相同，仅仅在信号的接收、传输以及输出方向上存在差别。可以理解的，当本发明实施例的功率合成器仅作为合成器使用时，第一端口为输入端口，用于接收多组低功率电信号，第二端口为输出端口，用于将经过合成的高功率合路信号进行输出；当本发明实施例的功率合成器作为功率分配器使用时，第二端口为输入端口，用于接收一组高功率电信号，第一端口为输出端口，用于将经过分配的低功率电信号进行输出。

上述功率合成器，通过在每个隔离电阻r1靠近公共端一侧，即隔离电阻r1相连接一侧串联谐振电容c1，调整谐振电容c1电容值的方式，对寄生电感进行谐振，且使功率合成器的各个输入第二端口具有良好的阻抗匹配以及良好的隔离性能。

阻抗匹配(impedancematching)主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。第一是调整负载功率，假定激励源已定，那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路，由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略，此时电路的阻抗来源主要为电阻，则阻抗匹配度高时，负载功率能够达到最大值。第二是抑制信号反射，当一束光从空气射向水中时会发生反射，这是因为光和水的光导特性不同。同样，当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比，低频信号的波长远远大于传输线的长度，因此一般不用考虑反射问题。高频领域，当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠，影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

功率合成器一般有两个或多个第一端口，只有一个第二端口。端口隔离度是一个比较重要的指标，用于描述两路信号互不影响的能力，一般要求在20db以上。功率合成器的输入第二端口间通常通过增加隔离电阻r1以提高其隔离度，添加隔离电阻r1是对第二端口间反射信号进行吸收，从而增加了第二端口间信号的抑制。

可以理解的，三路低功率能量的电信号分别由第一电源v1、第二电源v2以及第三电源v3提供，分别输入微波支路，经过微波支路传输后在微波合路进行合成，形成高功率能量后从第二端口输出。

请参阅图2，图2为本发明另一实施例的功率合成器的结构示意图。示例性地，功率合成器还包括输出电容c2，输出电容c2并联在第二端口上，通过调整输出电容c2大小，以调整第二端口阻抗特性。

可以理解的，微波支路、微波合路的电长度、阻抗、隔离电阻r1的阻值、谐振电容c1以及输出电容c2的电容值均会对合成器的匹配特性和隔离特性造成影响。

可以理解的，对一个电路来说，用单一的端口输入分析起来比较复杂，但是一个信号可以分解为奇模和偶模的叠加，奇模分析相当于在两段线之间加了一个地，偶模分析就是两条线并行，可以用一段线进行电路、场的分析。将完整电路进行分解、简化以进行分析。根据电路线性相加的原理，奇模偶模二者的作用效果一叠加，就能得到整个电路的分析结果。

请参阅图3，图3为图2的功率合成器的奇模分析图。可以理解的，对于奇模，增加谐振电容c1，可谐振掉隔离电路中的寄生电感lp。

请参阅图4，图4为图2的功率合成器的偶模分析图。可以理解的，对于偶模，增加谐振电容c1，寄生电容cp和谐振电容c1串联，使寄生电容cp的等效电容值cp//c1变小，同样改善了阻抗匹配，等效电容值cp//c1＝(cp*c1)/(cp+c1)。同时，输出电容c2并联在第二端口上，电容c2的电容值为微波之路数乘以cp//c1。调节微波支路的微带线的电长度、阻抗相适应，即可使偶模的匹配特性更加接近理想匹配。

请参阅图3，奇模分析图中虚线框出的部分，可等效为电感lp2。减小c1的容值，使c1和lp的串联电路呈电容性。相应的等效电感lp2的电感量也变大。选取合适的c1，可以使第一端口看到一个略大于r1的实阻抗。此时奇模电路达到良好的匹配，合成器有良好的匹配和隔离特性。

若隔离电路微带线的阻抗z1越大，则寄生电容cp的电容值越小，寄生电感的电感值lp越大，谐振电容c1的电容值相对越小，等效电容值cp//c1相对越小，等效电感lp2越大，奇模的匹配特性越好。但寄生电容cp和寄生电阻lp串联的品质因数q越大，功率合成器的带宽越窄。

寄生电容一般是指电感、电阻、芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电容等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串联，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略，在计算中要考虑进去。esl就是等效电感，esr就是等效电阻。不管是电阻，电容，电感，还是二极管，三极管，mos管，还有ic，在高频的情况下都要考虑到它们的等效电容值，电感值。

实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，开发了“用户专用”功率模块(aspm)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(asic)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

在另一个实施例中，隔离电阻r1的阻值与隔离电路的电长度θ1负相关。具体的，微波支路微带线的电长度θ1越大，则寄生电容cp的电容值越大，等效电容值cp//c1相对越大，等效电感lp2的电感值越小，此时奇模电路中第一端口看到的阻抗越大，奇模的驻波比(vswr，voltagestandingwaveratio)越差；通过减小隔离电阻r1的阻值，可以使奇模电路中第一端口看到的阻抗值重新回到50ω，即可使奇模的匹配特性达到理想匹配，同时不会影响偶模的匹配特性。

驻波比全称为电压驻波比，又名vswr和swr，为英文voltagestandingwaveratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅vmax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅vmin，形成波谷。其它各点的振幅值则介于波腹与波谷之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值vmax与波谷处的电压幅值vmax之比。在驻波管法中，测得驻波比，就可以求出吸声材料的声反射系数和吸声系数。射频系统阻抗要匹配，特别要注意使电压驻波比达到一定要求，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随着频率而变，应使阻抗在宽范围内尽量匹配。

品质因数(q因数，qualityfactor)，电学和磁学的量。表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标；电抗元件的q值等于它的电抗与其等效串联电阻的比值；元件的q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。谐振回路的品质因数为谐振回路的特性阻抗与回路电阻之比。

在串联电路中，电路的品质因数q有两种测量方法，一是根据公式q＝ul/u0＝uc/u0测定，uc与ul分别为谐振时电容器c与电感线圈l上的电压；另一种方法是通过测量谐振曲线的通频带宽度δf＝f2-f1，再根据q＝f0/(f2-f1)求出q值。式中f0为谐振频率，f2与f1是失谐时，亦即输出电压的幅度下降到最大值的倍时的上、下频率点。q值越大，曲线越尖锐，通频带越窄，电路的选择性越好。在恒压源供电时，电路的品质因数、选择性与通频带只决定于电路本身的参数，与信号源无关。

在另一个实施例中，功率合成器设置在pcb板上，pcb板包括顶层金属层、中间金属层以及底层金属层，顶层金属层与中间金属层之间设置有第一介质层，中间金属层与底层金属层之间设置有第二介质层。可以理解的，pcb板为三层pcb板。

示例性地，pcb板由两层介质层及位于两层介质层上方、中间和下方的三层金属层构成，顶层金属层为微带多路功率分配网络，中间金属层为接地金属层，底层金属层包括微带隔离网络和隔离电阻。顶层功率分配网络与底层隔离网络通过位于距顶层功率分配网络公共点四分之一波长处的金属化通孔连接起来，其中，该跨越中间接地金属层的金属化通孔不与中间接地金属层相接。底层隔离网络由一端连接于公共点，另一端与上层各路微带相连的微带线和隔离电阻组成，其中，每段微带线由两段宽度不同的四分之一波长的微带线组成，隔离电阻一端连接于该两段宽度不同的微带线的连接处，另一端通过金属化通孔连接于中间金属层。

在另一个实施例中，微波支路以及微波合路设置在顶层金属层。

在另一个实施例中，隔离电阻r1之间通过电阻连接线相连，电阻连接线设置在中间金属层。

在另一个实施例中，隔离电阻r1的阻值为50欧姆。可以理解的，当电阻连接线的电长度θ1相对较小，或对合成器的隔离指标要求不高时，隔离电阻r1可选用50欧姆的电阻。当电阻连接线的电长度θ1相对较大，或对合成器的隔离指标要求较高时，隔离电阻r1的阻值需要小于50欧姆，其阻值受到电阻连接线电长度的影响。

在另一个实施例中，每条微波支路的微带线的特征阻抗z2大于等于欧姆，电长度θ2小于等于90度。可以理解的，微波支路的微带线的特征阻抗以及电长度在这个范围内时，可通过调节谐振电容c1的电容值以及隔离电阻r1的电阻值使功率合成器的匹配与隔离性能最好。

在另一个实施例中，每个第一端口的阻抗为50欧姆。

在另一个实施例中，第二端口的阻抗为50欧姆。

在另一个实施例中，第一端口的个数为3个，微波传输支路的条数为3条。可以理解的，在其他实施例中，具体将几路能量进行合成可以根据实际情况决定。

请参阅图5至图7，图5为本发明一实施例的功率合成器的端口驻波比随频率变化的曲线图，图6为本发明一实施例的功率合成器的端口插损随频率变化的曲线图，图7为本发明一实施例的功率合成器的端口隔离随频率变化的曲线图。其中，端口1对应合成器的输出端口，端口2、3、4对应合成器的输入端口，s(2,3)为第一输入端口和第二输入端口之间的端口隔离度随频率变化的情况，s(2,4)即为第一输入端口和第三输入端口之间的端口隔离度随频率变化的情况，s(3,4)即为第二输入端口和第三输入端口之间的端口隔离度随频率变化的情况，s(1,1)表示输出端口驻波比随频率变化的情况，s(2,2)表示第一输入端口驻波比随频率变化的情况，s(3,3)表示第二输入端口驻波比随频率变化的情况，s(4,4)表示第三输入端口驻波比随频率变化的情况，s(2,1)表示第一输入端口到输出端口的端口插损随频率变化的情况，s(3,1)表示第二输入端口到输出端口的端口插损随频率变化的情况，s(4,1)表示第三输入端口到输出端口的端口插损随频率变化的情况。测试结果可以看出，合成器的各端口的反射系数低于-30db；输入端口间的隔离低于-36db；合成器的损耗低于0.2db。

本发明还公开了一种医疗设备，包括上述功率合成器，通过使用上述功率合成器能够节省医疗设备的生产成本。

磁共振成像设备是断层成像的一种，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。磁共振成像设备通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体中的氢质子受到激励而发生磁共振现象。在停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生磁共振信号。获取相应的磁共振信号，并对磁共振信号进行图像重建，得到医学图像。磁共振成像(mr)是一种非常强大的成像方法。该技术可以在无损伤，无电离辐射的情况下得到样品/组织内部的高对比度清晰图像，在各个领域，尤其是医学诊断中得到了广泛应用。与其他辅助成像检查手段相比，核磁共振具有成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像更清晰等优点。能够发现早期病变，目前已经成为肿瘤、心脏病及脑血管疾病早期筛查的利器。

功率合成器是磁共振成像设备中重要的组成元件，在许多高功率放大器中普遍使用到功率合成器，将多个低功率的功率器件产生的功率合成为需要的高功率。

上述功率合成器及医疗设备，通过在每个隔离电阻靠近公共端一侧，即隔离电阻相连接一侧串联谐振电容，在第二端口并联输出电容的方式，对寄生电感进行谐振，且使功率合成器的各个输入第二端口具有良好的阻抗匹配以及良好的隔离性能。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。