CN102613974A - 一种数字化核磁共振射频放大器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化核磁共振射频放大器，包括数字化信号处理器、基础射频功率放大器矩阵、大功率功率合成器，所述数字化信号处理器包括射频输入接口、与射频输入接口相连的信号处理模块、与信号处理模块相连的n个接口组件；基础射频功率放大器矩阵包括与n个接口组件对应相连的n个基础射频功率放大器；大功率功率合成器包括与n个基础射频功率放大器对应相连的n个合成输入接口、与n个合成输入接口相连的合成单元、与合成单元相连的合成输出端，n为≥1的自然数。本发明还公开了一种数字化核磁共振射频放大器的实现方法。本发明通过数字化信号处理及模块化结构，大大简化了设计，便于规模生产，提高了产品灵活性，同时大大降低了产品成本。

Description

一种数字化核磁共振射频放大器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种数字化核磁共振射频放大器及其实现方法。

背景技术

核磁共振成像设备（MRI）的基本原理是先让人体进入磁场之中进行磁化，然后发射一系列特定频率的射频脉冲信号，人体待测部位的氢原子核在射频信号的激励下产生共振，吸收能量而发生磁矩偏转，当射频信号停止后，待测部位的氢原子核会将吸收的能量以电磁信号的形式释放出来，通过检测设备接收该信号来进行处理和成像。

射频放大器作为核磁共振成像设备的关键部件，根据系统指定的扫描序列的要求发射各种翻转角度和不同功率的射频脉冲信号，任何一台MRI设备都必须配备相应的射频放大器。

现有射频放大器均存在以下的缺点：1）功率放大器的效率较低，由于没有采用包络跟踪技术，无论信号幅度强或弱，都采用相同的电源电压，导致小信号输入时的功放功耗浪费，而且还需要使用水冷散热；2）大量的模拟电路设计，其器件的一致性和温度稳定性差，使得补偿电路太过复杂，产品可靠性降低； 3）功率合成效率低，一方面由于功率合成之前各功放通道的幅度和相移的不一致性，导致功率合成效率低；另一方面目前采用的集总参数功率合成器的损耗大，造成功率损失。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点和不足，提供一种数字化核磁共振射频放大器，该射频放大器通过数字化信号处理及模块化结构，大大简化了设计，便于规模生产，提高了产品的灵活性，同时大大降低了产品成本。

本发明的另一目的是提供一种基于上述数字化核磁共振射频放大器的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种数字化核磁共振射频放大器，主要由依次相连的数字化信号处理器、基础射频功率放大器矩阵、以及大功率功率合成器构成，所述数字化信号处理器包括射频输入接口、与射频输入接口相连的信号处理模块、以及与信号处理模块分别相连的n个接口组件；基础射频功率放大器矩阵包括分别与n个接口组件对应相连的n个基础射频功率放大器；大功率功率合成器包括分别与n个基础射频功率放大器对应相连的n个合成输入接口、与n个合成输入接口均相连的合成单元、以及与合成单元相连的合成输出端，n为≥1的自然数。 

所述信号处理模块包括与射频输入接口相连的第一A/D变换器、以及与n个接口组件均相连的数字处理模块和第一微处理器，且第一A/D变换器与数字处理模块相连；所述接口组件包括与数字处理模块相连的数字输出接口和放大器取样信号输入接口、以及与第一微处理器相连的第一数字接口，且数字处理模块和放大器取样信号输入接口之间设置有第二A/D变换器。所述放大器取样信号输入接口用来接收来自基础射频功率放大器的射频取样信号，并通过第二A/D变换器后反馈到数字处理模块；所述第一数字接口用来连接各个基础射频功率放大器的监控接口并通过系统设备接口与整个核磁共振设备的主控计算机连接，以完成操作维护及监控功能。

所述数字化信号处理器还包括与第二A/D变换器相连的合成器取样信号输入接口，所述合成器取样信号输入接口与合成单元相连，用来接收大功率功率合成器的射频取样信号，通过第二A/D变换器后，反馈到数字处理模块，以修改处理各路放大器输入数字信号的幅度及相位的方式，使电桥实现尽可能理想的平衡，以达到尽可能理想的功率合成效果。

所述数字化信号处理器还包括一个与数字处理模块相连的数字输入接口，用于接收已被取样的射频信号，通过该接口直接送入数字处理模块进行处理，而无需再进行A/D变换，从而保证了数字化信号处理器既可以接收需放大的射频信号，并进行数字取样处理，又可以接收已被数字取样后的射频信号。

所述数字化信号处理器还包括与第一微处理器相连的系统设备接口，用于连接整个核磁共振设备的主控计算机，以完成操作维护及监控功能。

所述基础射频功率放大器主要由电源管理器、与电源管理器相连的第二微处理器、以及依次相连的放大输入接口、D/A变换器、放大器、以及射频输出端构成，所述D/A变换器和放大器均与电源管理器相连，且放大输入接口与数字输出接口相连，射频输出端与合成输入接口相连。

所述基础射频功率放大器还包括与射频输出端相连的放大器取样信号输出接口，且放大器取样信号输出接口与放大器取样信号输入接口相连，用于将基础射频功率放大器的射频取样信号传输到数字化信号处理器。

所述基础射频功率放大器还包括与第二微处理器相连的第二数字接口，所述第二数字接口与第一数字接口相连，从而使得基础射频功率放大器与整个核磁共振设备的主控计算机的相连，以完成操作维护及监控功能。

基于上述数字化核磁共振射频放大器的实现方法，包括以下步骤：

（a）首先，数字化信号处理器将需放大的射频信号进行数字取样处理，然后传输到基础射频功率放大器矩阵中的各个基础射频功率放大器；

（b）然后，基础射频功率放大器将处理后的信号进行放大后，传输到大功率功率合成器；

（c）最后，大功率功率合成器将各路放大后的射频信号进行同相合成后，输出满足需求的射频信号。

进一步的，所述步骤（a）中，数字化信号处理器将输入信号的包络提取出来成形，并通过接口组件送达基础射频功率放大器中的电源管理器，然后对输入信号延迟一个时间τ；步骤（b）中，电源管理器按照输入信号的包络，及时调节功放的电源电压，从而实现包络跟踪功能，提高功放的电源效率。

进一步的，所述步骤（a）中，数字化信号处理器，根据从基础射频功率放大器反馈的信息，调整输入射频信号的幅度、相位，并对功放失真进行预失真处理，从而保证得到所需要的输出射频信号。

进一步的，所述步骤（a）中，数字化信号处理器，根据从大功率功率合成器反馈的信息，调整输入射频信号的幅度、相位，从而保证各路信号在合成输出端实现同相合成。

综上所述，本发明的有益效果是：

（1）结构简单，便于批量生产；

（2）性能及可靠性易于得到保证；

（3）效率高，节约大量能源；

（4）不再需要复杂的水冷系统；

（5）生产成本及运行成本均将大大降低。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明的包络跟踪示意图；

图3为2.5KW射频放大器示意图；

图4为5KW射频放大器示意图；

图5为40KW射频放大器示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

如图1所示，本发明主要由依次相连的数字化信号处理器、基础射频功率放大器矩阵、以及大功率功率合成器三个部分构成，所述数字化信号处理器包括射频输入接口、与射频输入接口相连的信号处理模块、以及与信号处理模块分别相连的n个接口组件；基础射频功率放大器矩阵包括分别与n个接口组件对应相连的n个基础射频功率放大器；大功率功率合成器包括分别与n个基础射频功率放大器对应相连的n个合成输入接口、与n个合成输入接口均相连的合成单元、以及与合成单元相连的合成输出端，n为≥1的自然数。本实施例针对n为4时，即包括4只基础射频功率放大器，其构成最大输出功率为10KW的射频放大器，对构成本发明的三个部分分别进行详细阐述如下。

如图1所示，关于数字化信号处理器：

射频输入接口与信号发生器连接，用于接收需放大的射频信号；信号处理模块用于对需放大的射频信号进行处理；接口组件用于向与之相对应的基础射频功率放大器输送处理后的数字信号。

信号处理模块包括与射频输入接口相连的第一A/D变换器、以及与4个接口组件均相连的数字处理模块和第一微处理器，且第一A/D变换器与数字处理模块相连。本发明中，数字处理模块是在第一微处理器的控制下智能工作的，它首先将输入信号的包络提取出来成形，并通过传输线送至4个接口组件；然后对输入信号延迟一个时间τ，如图2所示，并针对不同的基础射频功率放大器，按照第一微处理器的指令调整信号的相位、幅度并对功放失真进行预失真处理，然后送至相应的4个接口组件，并通过接口组件将信号及包络信息分别传送到与之相应的各个基础射频功率放大器。

上述4个接口组件的结构完全相同，均包括与数字处理模块相连的数字输出接口，用于向与之相对应基础射频功率放大器矩阵输送处理后的数字信号；接口组件不仅包括数字输出接口，还包括与第一微处理器相连的第一数字接口，且第一微处理器又与系统设备接口相连，并最终连接到整个核磁共振设备的主控计算机，从而使得各个基础射频功率放大器的监控接口与整个核磁共振设备的主控计算机连接，以完成操作维护及监控功能。

为了接收基础射频功率放大器和大功率功率合成器反馈的信息，本发明还在每个接口组件中均增加了与基础射频功率放大器的输出端取样点对应相连的放大器取样信号输入接口，以及在接口组件之外增加了一个与大功率功率合成器合成单元取样点相连的合成器取样信号输入接口，所述放大器取样信号输入接口和合成器取样信号输入接口均通过第二A/D变换器与数字处理模块相连；由于增加了上述两个接口，数字化信号处理器可根据从基础射频功率放大器及大功率功率合成器反馈的信息，调整输入信号的幅度、相位，并对功放失真进行预失真处理，从而保证得到所需要的输出射频信号。

所述数字化信号处理器还包括一个与数字处理模块相连的数字输入接口，用于接收已被取样的射频信号，并通过该接口直接送入数字处理模块进行处理，而无需再进行A/D变换，从而保证了数字化信号处理器既可以接收需放大的射频信号，并进行数字取样处理，又可以接收已被数字取样后的射频信号。

如图1所示，关于基础射频功率放大器矩阵：

基础射频功率放大器矩阵主要由4个结构完全相同的基础射频功率放大器构成，基础射频功率放大器主要由电源管理器、与电源管理器相连的第二微处理器、以及依次相连的放大输入接口、D/A变换器、放大器、以及射频输出端构成，所述D/A变换器和放大器均与电源管理器相连，放大输入接口与数字化信号处理器的数字输出接口相连，射频输出端与大功率功率合成器的合成输入接口相连。

上述基础射频功率放大器的工作原理为：首先通过放大输入接口接收到数字化信号处理器传来的信号以及包络信息，然后通过一对D/A变换器将其转换为模拟信号，射频信号进入放大器放大而包络信息则送至电源管理器以控制放大器的供电，经放大后的射频信号通过射频输出端传输到大功率功率合成器。

为了向数字化信号处理器反馈信息，所述基础射频功率放大器还增加了与射频输出端取样点相连的放大器取样信号输出接口，且放大器取样信号输出接口与数字化信号处理器的放大器取样信号输入接口相连。

为了与整个核磁共振设备的主控计算机连接，以完成操作维护及监控功能，基础射频功率放大器还增加了与第二微处理器相连的第二数字接口，所述第二数字接口与数字化信号处理器的第一数字接口相连，最终实现基础射频功率放大器310与主控计算机的连接。

上述基础功率放大器的输入，除了现在的数字信号外，也可以是模拟射频信号输入，即将D/A变换器归入数字信号处理模块的情况；但该情况下的整个连接关系相对于本发明并未改变，即与本发明保护的客体完全相同。

关于大功率功率合成器：

大功率功率合成器用于实现从4个基础射频功率放大器传入的4路大功率射频信号的同相合成，从而得到满足需求的射频信号。本发明中，使用高介电常数低损耗的介质材料填充的带状线实现，最常用的为两路合成及四路合成的设计，均可以使用1/4波长的3dB电桥实现，而具体设计方法在任何微波电路设计的书籍中都可以找到，属于现有成熟技术，不再赘述。本发明的关键点是将大功率功率合成器的合成单元取样点与数字化信号处理器相连，从而将合成单元中电桥关键点的取样信号强度反馈到数字化信号处理器，以修改处理基础射频功率放大器输入数字信号的幅度及相位的方式，使电桥实现尽可能理想的平衡，以达到尽可能理想的功率合成效果。

本发明使用了包络跟踪技术，包络跟踪技术的两个关键问题是包络的形成和电源的管理。包络的提取和形成是在数字化信号处理器的数字处理模块中完成的，如图2所示，电源管理器的关键在于尽可能短的建立和关闭时延，对一个具体的设计，假设电源的建立和关闭时间为Δt1，系统处理时间为Δt2, 若Δt2 大于Δt1，那么，数字处理模块对信号的延时为Δt2；若Δt2 小于Δt1，那么，数字处理模块对信号的延时为τ=Δt1-Δt2；本发明的基础射频功率放大器通过使用包络跟踪技术，效率将大大提高，热耗将大大降低，不仅可以节省大量能源，而且可以不再需要复杂的水冷系统。

本实施例是针对最大输出脉冲功率为10KW的情况来对本发明进行说明。本发明的另一优点是可以通过积木方式组成最大输出功率从几千瓦到几十千瓦的满足各种需求的射频功率放大器。例如：一个输出功率2.5KW以下的射频放大器，只需要一只上述数字化信号处理器加上一只上述基础射频功率放大器即可组成，如图3所示；一个输出功率5KW以下的射频放大器，只需要一只上述数字化信号处理器加上两只上述基础射频功率放大器和一只两路合成的上述大功率功率合成器即可组成，如图4所示；一个输出功率35至40KW的射频放大器，则只需用4套10KW射频放大器，再加上一只上述数字化信号处理器和一只上述大功率功率合成器即可组成，如图5所示，其中，图5中每个10KW射频放大器中的数字化信号处理器将简单得多，不仅不需要A/D变换器，而且在软件和功能方面都简单得多。

根据合成后系统输出功率等级的不同，系统的射频信号频率也将随之变化，为此，需要分别使用不同工作频段和功率电平的数字化信号处理器、基础射频功率放大器矩阵和大功率功率合成器，本发明可以覆盖现有所有场强的核磁共振成像设备。

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，主要由依次相连的数字化信号处理器、基础射频功率放大器矩阵、以及大功率功率合成器构成，所述数字化信号处理器包括射频输入接口、与射频输入接口相连的信号处理模块、以及与信号处理模块分别相连的n个接口组件；基础射频功率放大器矩阵包括分别与n个接口组件对应相连的n个基础射频功率放大器；大功率功率合成器包括分别与n个基础射频功率放大器对应相连的n个合成输入接口、与n个合成输入接口均相连的合成单元、以及与合成单元相连的合成输出端，n为≥1的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述信号处理模块包括与射频输入接口相连的第一A/D变换器、以及与n个接口组件均相连的数字处理模块和第一微处理器，且第一A/D变换器与数字处理模块相连；所述接口组件包括与数字处理模块相连的数字输出接口和放大器取样信号输入接口、以及与第一微处理器相连的第一数字接口，且数字处理模块和放大器取样信号输入接口之间设置有第二A/D变换器。

3.根据权利要求2所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述数字化信号处理器还包括与第二A/D变换器相连的合成器取样信号输入接口，所述合成器取样信号输入接口与合成单元相连。

4.根据权利要求2所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述数字化信号处理器还包括一个与数字处理模块相连的数字输入接口。

5.根据权利要求2所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述数字化信号处理器还包括与第一微处理器相连的系统设备接口。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述基础射频功率放大器主要由电源管理器、与电源管理器相连的第二微处理器、以及依次相连的放大输入接口、D/A变换器、放大器、以及射频输出端构成，所述D/A变换器和放大器均与电源管理器相连，且放大输入接口与数字输出接口相连，射频输出端与合成输入接口相连。

7.根据权利要求6所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述基础射频功率放大器还包括与射频输出端相连的放大器取样信号输出接口，且放大器取样信号输出接口与放大器取样信号输入接口相连。

8.根据权利要求6所述的一种数字化核磁共振射频放大器，其特征在于，所述基础射频功率放大器还包括与第二微处理器相连的第二数字接口，所述第二数字接口与第一数字接口相连。

9.基于上述数字化核磁共振射频放大器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）首先，数字化信号处理器将需放大的射频信号进行数字取样处理，然后传输到基础射频功率放大器矩阵中的各个基础射频功率放大器；

（b）然后，基础射频功率放大器将处理后的信号进行放大后，传输到大功率功率合成器；

（c）最后，大功率功率合成器将各路放大后的射频信号进行同相合成后，输出满足需求的射频信号。

10.根据权利要求9所述的数字化核磁共振射频放大器的实现方法，其特征在于，所述步骤（a）中，数字化信号处理器将输入信号的包络提取出来成形，并通过接口组件送达基础射频功率放大器中的电源管理器，然后对输入信号延迟一个时间τ；数字化信号处理器根据从基础射频功率放大器反馈的信息，调整输入射频信号的幅度、相位，并对功放失真进行预失真处理，从而保证得到所需要的输出射频信号；数字化信号处理器根据从大功率功率合成器反馈的信息，调整输入射频信号的幅度、相位，从而保证各路信号在合成输出端实现同相合成；

所述步骤（b）中，基础射频功率放大器中的电源管理器按照输入信号的包络，及时调节功放的电源电压，从而实现包络跟踪功能，提高功放的电源效率。

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