CN101079600A - 用于高频放大器的调节器 - Google Patents

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Abstract

用于HF放大器(200)的、尤其用于MR断层摄影装置的HF放大器的调节器(2)，具有：HF调节装置(242，244，302)，用于借助调节装置调节器(230，232)的NF调节参数(238，240，34，36)按数值和相位对要输入给所述HF放大器(200)的HF信号(206)进行细调谐；功率测量器(6)，用于测量被输入给所述HF放大器的HF信号(206)的输入功率(8)；预失真器(10，12)，用于给所述NF调节参数(238，240，34，36)施加依赖于所述输入功率(8)的校正值(44，46)，以补偿所述HF放大器的取决于功率的特性曲线(260，262)。

Description

用于高频放大器的调节器
技术领域
本发明涉及用于高频放大器的调节器。
背景技术
高频放大器(HF放大器)用于将输入给它的高频信号(HF信号)尽可能相同地放大，以便在其输出获得大功率的HF信号。尤其对于利用磁共振断层摄影装置(MRT)的特定医学检查，脉冲功率为15-30kW的HF信号是必需的。在该MRT中也使用HF放大器，以便产生这种功率的HF信号。HF信号是脉冲式的，也即在从几μs到几ms范围的时延内需要这种功率。为了借助于MRT产生高质量的医学图像，在HF放大器的输出上尤其在起作用的MRI时需要非常精确的脉冲功率。利用目前普通的发送装置可以达到放大HF信号的约1-4％的脉冲重复精度。这里，精确的意思是，HF信号的幅度和相位必须等于准确的预给定。为了获得HF放大器的HF输出信号的这种精度，给该放大器装配了调节器。
DE 10335144B3公开了一种用于磁共振设备的发送装置，其包括HF放大器的HF输出信号的幅度和相位用的相应调节器。这里借助于合适的检测器来确定HF放大器的输入功率和输出功率之比，也即要放大的和被放大的HF信号之比(所谓的实际增益)。另外确定该两个信号之间的相位关系(所谓的实际相差)。为此例如使用集成的增益和相位检测器，例如Analog Devices公司的组件AD8302。在两个分开的调节环中采用一个可调的衰减装置和一个可调的相位调节器，以便使HF输出信号的输出幅度和输出相位保持恒定，或与HF输入信号保持所希望的比例，也即调定一个额定增益或一个额定相差。
图5示出了现有技术的一种相应装置。HF放大器、也称为RFPA(射频功率放大器)前联了一个调节器202。在输入204上向该装置馈入一个HF输入信号206。该信号通过信号线208经过调节器202和放大器200，以便在输出210上作为被放大的HF输出信号212离开该装置。调节器202具有一个增益检测器214和一个检相器216。
HF输入信号206和HF输出信号212的两个测量值通过被分配给输入204和输出210的信号耦合器218、220及相应的测量线222、224被输入给增益检测器214和检相器216两者。这里，增益检测器214测定真实的实际幅度增益226(实际增益)，检相器216测定在HF输出信号212和HF输入信号206之间的真实的实际相差228。这里在测量线222、224上存在譬如在约63或约123Mhz范围内的高频(HF信号)。
相反，实际幅度增益226和实际相差228作为增益检测器214和检相器216的输出信号是低频信号(NF信号)。在差装置230、232中，真实的实际幅度增益222和实际相差228与额定增益234和额定相差236进行比较，相应的校正信号通过调节放大器238、240在信号线中被传送给衰减装置242和相位调节装置244。
因为所有信号路径彼此隔开，所以衰减装置242和相位调节装置244被分配了彼此独立的、隔开的调节环246、248。替代地，上述集成的增益和相位检测器可以作为IC 250(在图5中通过虚线框表示)而使两个分立的器件、即增益检测器214和检相器216一体化。
尤其是在MR设备中所使用的HF放大器200-也称RF(射频)功率放大器-具有强展开的特性曲线252。强展开意味着，小输入信号206-也即具有小幅度或信号功率的输入信号-的增益明显小于大的或强功率的输入信号206的增益。图6a针对信号206的不同输入功率Pin以特性曲线260示出了在频率为63.6MHz时HF放大器200的相对增益G。图6b在相同的横坐标上以特性曲线262描绘了由HF放大器200产生的HF输出信号212相对于HF输入信号206的幅度误差Δφ。
如上所述，因为尤其MR设备运行于脉冲工作方式，所以在每个拍摄序列期间-也即在HF输入信号206的相应信号脉冲的重复触发期间-多次至少部分地穿越图6a和6b的特性曲线260、262。也即，除了图5的装置的增益特性中的譬如因温度漂移等造成的波动外，调节器202还总要一同调整非线性特性曲线260、262。同时，因为特性曲线260、262的展开特征而存在以下危险：由于幅度调节装置242所必需的大幅度增益，在脉冲的开始处，也即在HF输入信号206的小电平或功率时，增益不能足够快地被再次调回，这导致超调，并且在最不利的情况下导致放大器200的安全关断。
从上述的DE’144中公开了通过由二极管和电阻组成的起压缩作用的网络来补偿所述展开特性曲线260、262。但利用这种网络只能部分地校正所述放大器200的强展开的特性。同时该电路相对于温度影响是灵敏的，而且不能补偿相位偏差。
从DE 10148441C1公开了一种模拟的动态压缩器，利用它可以比利用DE’144的简单二极管电阻网络实现更强烈得多的压缩，同时有更好的温度稳定性。但是在实践中很难利用该压缩器同时补偿放大器200的幅度特性曲线260和相位特性曲线262。此外，这种模拟压缩器电路的功率需求和电路费用在63.6或123.2MHz的HF范围内的典型MR频率时是非常高的。图7以电路框图示出了所述动态压缩器300。图5的调节器202在图7中通过一种替代性的实施形式、也即具有前置放大器304的IQ调节装置302来代替。IQ调节装置302完成与图5的衰减装置242和相位调节装置244相同的任务，也即就幅度和相位调谐HF输入信号206，以便将如此被变化的HF输入信号206在输入306输送给动态压缩器300。于是，在图5所示装置的高频路径或RF路径中通过动态压缩器300进行预失真，以补偿特性曲线260、262。
向IQ调节装置输入要放大的HF信号206，并将其划分为两个被偏移90°相位的子信号。于是所述子信号分别穿过一个I路径和一个Q路径。在I路径中相应的子信号被加权一个I因子，在Q路径中被加权一个Q因子。通过加法器再次归并所述子信号，并最后将之输入到HF放大器200(通过动态压缩器300)。IQ调节装置同样影响要输入到HF放大器的HF信号206的数值和相位。但这里子信号乘以I因子和Q因子分别只影响I路径和Q路径中的相应子信号的幅度，而不影响其相位。由于所述子信号因90°相位偏移却对应于一个复数指针(也即其总和)的实部和虚部，所以子信号的幅度变化通过实部和虚部的相加(也即以IQ调节器的输入给放大器的输出信号的形式)而产生该总信号的幅度或相位操作。
这里，I和Q因子在其被馈入乘法器之前是基于NF工作的，与在I和Q路径中的子信号的形成HF路径的信号路径相反。
由于IQ调节器中的乘法器尤其可以被模拟地实施，所以这种IQ调节装置能够无问题地实现所要求的远远低于1μs的上升时间。但为了控制IQ装置，现在必须根据实部和虚部(子路径中的子信号)的增益因子把计划的相位和增益变化-也即HF信号上的幅度变化(额定值和实际值)-换算成相应的I因子和Q因子。这可以通过相应的A/D变换和数字计算机中的数字计算来完成，或者以模拟的方式，如在德国专利申请(我们的文档号200603984-申请号在后面提交，只要它被公知)所公开的。
发明内容
本发明的任务在于提供一种改善的装置，用于HF放大器、尤其是用于MR断层摄影装置的HF放大器的预失真。
该任务通过如权利要求1所述的执行预失真的调节器来解决。
本发明基于以下认识：预失真从HF或RF路径中被去掉，并通过图5或图7所示装置的低频路径中的预失真来实现。因此预失真被集成在本发明的调节器中，该调节器于是除了要放大的HF信号的原调节外，还一同接管HF放大器的非线性特性曲线的预失真。
于是，如上所述，所述的HF放大器具有由NF调节参数(幅度和相位调节信号或I和Q因子)控制的HF调节装置(譬如幅度调节装置和相位调节装置或IQ调节装置)，用于在HF路径中进行幅度和相位匹配。根据本发明，现在通过以下方式实现预失真，即相应地调整NF调节参数以便在HF路径中完成所需要的预失真。换句话说，预失真与目前的幅度和相位调节叠加，或就NF调节参数被加到该幅度和相位调节上。所以在NF路径中实际上联合了幅度及相位匹配和预失真。
预失真或其参数的确定于是通过NF路径中的预失真器来实现，其中只有其对HF信号执行原信号操作的“执行机构”位于HF路径中。从HF放大器的增益和相差的非线性特性曲线260、262出发，可以相应地求出预失真器的合适特性曲线。于是，因为HF信号的输入功率的瞬时值被求出，所以HF信号的输入电平对于HF放大器任何时候都是已知的。所以在预失真器中可以借助于该特性曲线向IQ调节装置给出相应的校正值。
根据瞬时的信号功率可以求出用于控制HF调节装置的校正值。
如上所述，HF调节装置于是可以是一个譬如如图5所公开的幅度调节装置和相位调节装置的级联。然后预失真器给幅度和相位调节值提供相加的值，其中根据相应的控制给所述调节装置提供所述的幅度和相位调节值。因此本发明的控制可以简单地被集成到HF放大器的常规调节器中。
但HF调节装置也可以是IQ调节装置。于是预失真器被分配给IQ调节器以产生I和Q因子，并且该I和Q因子相加地与预失真的校正值进行叠加。
为此在已知的IQ调节器中分别给I和Q路径分配一个预失真器，其分别以取决于功率的校正值影响IQ调节装置的I和Q因子。
所述预失真器可以是数字预失真器。这里，存放HF放大器的非线性的倒数特性曲线是非常简单的，譬如以查询表的形式。
然而所述预失真器也可以是模拟预失真器。这种预失真器通常快于数字预失真器，因此可以有助于在整个放大装置中实现更短的信号上升时间。
相应地，模拟预失真器可以包括一个功能网络。在功能网络中每个特性曲线、例如60和62被近似，也就是说在该情况下可以通过折线来近似校正值的曲线过程，以补偿在HF信号的输入功率上的特性曲线。在实际中已经证明，通常譬如由相应折线的三个直线段构成的较粗略的近似就足以实现足够的预失真。功能网络的实现例如由[Titze/Schenk，“半导体电路技术”、第十版次、Springer出版社、1993]所公开。
如果在被分配给HF调节装置的调节器中譬如对于幅度和相位或I和Q路径存在单独的调节环，那么每个调节环可以被分配一个单独的预失真器。系统然后被去耦并可以简单地被控制。
当采用IQ调节器作为调节器时，IQ调节器可以具有一个工作点，其在该工作点具有一样大的I因子与Q因子，或者IQ调节器是模拟调节器。为了更详细的说明，请参看上述德国专利申请。
附图说明
对于本发明的进一步说明，参见附图的实施例。分别用示意原理简图：
图1示出了具有用于同时使HF信号预失真的本发明调节器的放大器装置，
图2示出了图1的HF放大器的非线性放大器特性曲线用的逐段线性近似的理想校正曲线，
图3按a)数值和b)相位示出了在进行无效调节时，从图1的整个装置的输入到输出的传递特性曲线，
图4示出了图1的HF放大器、本发明预失真器以及该HF放大器的增益图，
图5示出了按照现有技术利用级联的幅度和相位调节装置进行幅度和相位匹配的HF放大器的常规调节，
图6按a)数值和b)相位示出了现有技术的图1和图5所示的HF放大器的传递特性曲线，
图7示出了图5所示的HF放大器的常规调节，但按照现有技术利用了IQ调节装置和HF路径中的预失真器。
具体实施方式
图1示出了具有IQ调节装置302的本发明调节器2。在HF信号线208中向IQ调节装置302前联一个前置放大器4。通过HF信号划分器20把HF输入信号206划分到IQ调节装置302中的I路径22和Q路径24上。I路径22中的HF子信号26相对于Q路径24中的HF子信号28被移相-90°。I和Q路径22、24各具有一个HF乘法器30、32，通过它们把各自的子信号26、28乘以一个I因子34和一个Q因子36。相应被加权的HF信号通过HF加法器33再次被结合，并通过另一个HF前置放大器4被输入给HF放大器200。在HF信号线208上通过信号耦合器218被耦合输出的测量信号通过导线222被输入到功率测量器6。功率测量器6测量HF输入信号206固有的功率。
这里，功率比例信号8已经是NF范围内的信号，并被输入两个功能网络10、12，所述功能网络通过相应的特性曲线40、42求出I因子34和Q因子36的相应校正值44、46。校正值44、46通过加法器48、50与I因子34和Q因子36相加，并被输入给乘法器30、32。这里不详细讲述在未示出的IQ调节器中求取I因子和Q因子。
在功率测量器6和乘法器30、32之间的整个信号通路因此是在低频范围内进行的。
图2在以V为单位的RSSI电压上示出了针对图6a、6b所示的非线性放大器特性曲线260、262的预失真器曲线，所述RSSI电压与HF输入信号206的输入功率的对数成比例，并由一个未示出的对数检测器根据功率测量器6(例如Analog Devices公司的组件AD 8310)被测量。绘出了I路径22和Q路径24中的乘法器30、32的相应调节装置电压。曲线60、62在这里是260、262的曲线(也即HF放大器200的非线性特性曲线)的理想校正曲线，以为了其补偿而作为IQ调节装置302的理想控制电压。曲线64、66是通过功能网络40、42对相应曲线60、62进行近似的折线。这借助于最小二乘拟合算法来求出。
图4为说明再次示出了放大器200，其输入有一个输入功率Pe，并将该功率放大成输出功率Pa。图4b示出了依赖于输入功率Pe的输出功率Pa，也就是说仅仅是关于增益(所谓的Gain)。理想输出功率通过虚线曲线72被表示为Pa＝Go Pe。曲线74示出了实际输出功率Pa＝Gv(Pe)Pe。
图4c根据图4a示出了放大器200，但具有本发明的预失真器76。该预失真器被提供了功率Pin，并由此通过其特性曲线GS有目的地产生被输入给放大器200的功率Pe。因此适用Pe＝GS(Pin)Pin。现在希望从图4b获得理想的特性曲线，也即Pa＝Go Pin。但在实际中根据以上等式适用Pa＝Gv(GS(Pin)Pin)GS(Pin)Pin。由此可以推导预失真GS的定义等式，其不是实增益Gv(Pe)的倒数：Gv(GS(Pin)Pin)GS(Pin)＝Go。
根据单个HF放大器200的图6a和6b，在图3a和3b中却示出了当信号34、36为零时、也即在无效的调节时图1的整个装置(也即在信号输入204和信号输出210之间，也即从HF输入信号206到HF输出信号212的整个传输通路)的放大器特性曲线。特性曲线68再次表示传递函数的数值，特性曲线70表示其相位。相对于图6a、b可以看出，通过图1所示的本发明预失真已经把数值的波动(曲线260，68)从10dB降到约0.8dB。相位波动(曲线262、70)已经从25°降到约6°。在理想的预失真的情况下，在图3a、b中分别产生理想的水平直线。

Claims (10)

1.用于HF放大器(200)的、尤其用于MR断层摄影装置的HF放大器的调节器(2)，具有
HF调节装置(242，244，302)，用于借助调节装置调节器(230，232)的NF调节参数(238，240，34，36)按数值和相位对要输入给所述HF放大器(200)的HF信号(206)进行细调谐，
功率测量器(6)，用于测量被输入给所述HF放大器(200)的HF信号(206)的输入功率(8)，
预失真器(10，12)，用于给所述NF调节参数(238，240，34，36)施加依赖于所述输入功率(8)的校正值(44，46)，以补偿所述HF放大器(200)的取决于功率的特性曲线(260，262)。
2.如权利要求1所述的调节器，其中所述HF调节装置(242，244，302)包括幅度调节装置(242)和相位调节装置(244)的级联，且所述预失真器是一种用于给所述调节装置(240，242)的幅度调节值(238)和相位调节值(240)施加校正值(44，46)的预失真器。
3.如权利要求1所述的调节器，其中所述HF调节装置(242，244，302)包括一个IQ调节装置(302)，
其中所述IQ调节装置(302)包括一个信号划分器(20)和一个加法器(33)，所述信号划分器(20)用于把HF信号(206)划分成I路径(22)和Q路径(24)中的两个移相90°的子信号(26，28)，以便作为NF调节参数把子信号(206)在I路径(22)中乘以一个I因子和在Q路径(24)中乘以一个Q因子(36)，所述加法器(33)用于归并所述子信号(26，28)，
所述调节装置调节器(230，232)是一种IQ调节器，用于根据在输入给所述IQ调节装置(302)的HF信号(206)和由所述HF放大器(200)放大的HF信号(212)之间的实际相差(228)和额定相差(235)以及实际增益(226)和额定增益(234)来求出I因子(34)和Q因子(36)，
所述预失真器(10，12)是一种用于给I因子(34)和Q因子(36)施加校正值(44，46)的预失真器。
4.如权利要求1-3之一所述的调节器，其中所述预失真器(10，12)是一种数字预失真器。
5.如权利要求1-3之一所述的调节器，其中所述预失真器(10，12)是一种模拟预失真器。
6.如权利要求5所述的调节器，其中所述预失真器(10，12)包括一种功能网络。
7.如上述权利要求之一所述的调节器，其中所述调节装置调节器(230，232)具有两个独立的调节环(246，248)，而且每个调节环(246，248)被分配一个单独的预失真器。
8如上述权利要求之一所述的调节器，其中所述功率测量器(6)是一种用于测量被输入给所述调节器(2)的HF信号(206)的输入功率(8)的功率测量器。
9.如上述权利要求3-8之一所述的调节器，其中所述IQ调节器具有一个工作点，在实际相差(228)和额定相差(236)相等、以及实际增益(226)和额定增益(234)相等的情况下，所述I因子(34)与Q因子(36)一样大。
10.如权利要求9所述的调节器，其中所述IQ调节器是模拟IQ调节器。
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