CN108931747A - 一种射频线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频线圈，在线圈内部集成主动开关电路，克服被动二极管串联大电阻带来的被动线圈中存在振荡能量和有用射频能量同时被消耗的问题，同时避免小于二极管开启电压的振荡无法消耗的问题，达到缩短射频线圈振荡时间的目的。

Description

一种射频线圈

技术领域

本发明涉及一种射频线圈，属核磁共振领域。

背景技术

射频线圈在磁共振系统中的作用是收发信号，即发射大功率射频脉冲信号和接收极小功率的核磁信号。从发射完成到可以开始接收核磁信号的时间被称作死时间。死时间产生的原因是，在射频线圈发射完大功率射频脉冲信号后，由于线圈处在一个谐振电路中，线圈上的射频能量不会立即降为0，而是慢慢的振荡消耗变为0，该振荡时间一般不低于16μs。在这个振荡时间内，线圈对外输出的信号由振荡能量和核磁信号能量构成，两者频率相同，而振荡能量远远大于核磁信号能量，也大于后级接收机能承受的最大输入功率，因此这段时间内的信号是需要滤除的，但同时该时间内有用的核磁信号也被滤除了。死时间的长短影响着该系统的应用领域，特别对于弛豫时间很短的样品，如固体脂肪，需要磁共振系统有着很短的死时间，否则样品产生的核磁信号在系统死时间里已经弛豫完全，系统就接收不到该样品的信号。

在常规射频线圈中，采用被动二极管串联一个大电阻的方法来缩短死时间，其原理是在振荡时间内，较大的振荡能量可以导通被动二极管，与大电阻形成通路，通过电阻放电。该方法的局限是：（1）在射频发射时间内，被动二极管也会被导通，相当一部分有用射频能量也被消耗在了电阻上，导致线圈效率下降；（2）在消耗振荡能量的同时，有用射频功率信号也被消耗；（3）当振荡电压的幅值小于二极管的开启电压（一般认为0.7V）后，该结构不再有效，而此时振荡信号仍远大于核磁信号；（4）电阻的温度常常很高，以至于电阻烧坏或两端的焊锡融化。因此该方法从理论分析到实际使用来看，效果都不是很好。

双通道线圈也被用来解决死时间问题，即发射线圈和接收线圈分开，以获得更短的线圈振荡时间。但双通道线圈有严重的耦合问题，发射线圈的振荡会耦合到接收线圈，振荡时间与收发一体的线圈基本一致，且双通道线圈在调试时会导致工作量加倍。

因此如何克服被动二极管串联大电阻带来的被动线圈中存在振荡能量和有用射频能量同时被消耗的问题，同时避免小于二极管开启电压的振荡无法消耗的问题，成为该领域研究的难点。

发明内容

本发明是为解决现有技术存在的问题，提供了一套缩短射频线圈振荡时间的解决方案，此方案在线圈内部集成主动开关电路，克服被动二极管串联大电阻带来的被动线圈中存在振荡能量和有用射频能量同时被消耗的问题，同时避免小于二极管开启电压的振荡无法消耗的问题。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

所述射频线圈包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感线圈和主动开关电路。

所述第三电容和所述第四电容并联接地，并与所述第二电容串联，然后再与所述第一电感线圈并联；所述主动开关电路与第一电感线圈串联。

所述主动开关电路，包括可正负电压偏置的直流电源、第一PIN二极管、第二PIN二极管和第二电感线圈，所述第一PIN二极管和第二PIN二极管并联接地，并与第二电感线圈串联；

当所述第一电感线圈处在发射状态时，通过所述直流电源提供正电压偏置，第一PIN二极管、第二PIN二极管处于完全导通状态，相当于一根导线，当发射状态结束的瞬间，所述直流电源提供负电压偏置，第一PIN二极管、第二PIN二极管截止，相当于一个电阻，原谐振回路被破坏，线圈内的能量被串联在谐振回路中的该等效电阻迅速消耗，振荡消耗完之后，直流电源变为正电压，第一PIN二极管、第二PIN二极管再次导通，线圈转为接收状态。

所述直流电源包括调整波形的芯片，所述芯片有PWR输出端和AUX输出端，两个输出端可独立调节上升沿、下降沿与输入信号的延迟，输出的PWR信号和AUX信号分别进入光电耦合器，将前后的控制信号相互隔离，隔离之后的信号进入具有正反逻辑输出的MOS管驱动器，驱动器的输出信号驱动后面直流选通电路的MOS管栅极。

所述直流选通电路外供0.8A恒定电流和-15V恒压直流电源，当外部门控信号给出低电平时，PWR和AUX信号也都为低电平，此时电路输出0.8A恒流；而当门控信号为高电平时，PWR信号和AUX信号给出的是高电平，此时电路输出-15V。

所述MOS管分为NMOS管和PMOS管，所述NMOS电压可加载±20V，开启关断时间在10～30ns，所述PMOS管连续输出电流为2A，最大脉冲输出电流为10A，开启关断时间在10～50ns。

本发明未说明的技术特征采用成熟的现有技术进行配套。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明提供了一种射频线圈，根据不同的时序阶段，用不同的直流偏置将线圈置于不同状态，避免了被动线圈中存在的振荡能量和有用射频能量同时被消耗的问题，同时也避免了小于二极管开启电压的振荡无法消耗的问题。

附图说明

图1是本发明的线圈电路设计方案。

图2是本发明的电路电源设计框图。

图3是本发明的UC3714门控延迟示意图。

图4是本发明的电流选通电路示意图。

图5是本发明的线圈电路电源控制总电路图。

图6是常规被动线圈电路的震荡波形图。

图7是本发明的带主动开关的线圈电路的振荡波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本方法作进一步详细描述。

实施例：

一种射频线圈电路的设计方案如图1所示。该电路中，C1、C2、C3、C4、L1是原线圈的电路，C1是匹配电容，C2、C3、C4与L1调谐到所需要的谐振点，L1即线圈。

该线圈电路设有主动开关电路，主动开关电路的原理为，当线圈处在发射状态时，PIN二极管D1、D2通过VCC加入正偏置，处于完全导通状态，D1、D2理论上等效于一根导线，整个线圈电路状态与原被动线圈一致。当发射状态结束的瞬间，需要将线圈中的振荡能量迅速消耗掉，此时VCC提供负电压偏置，D1、D2截止，相当于一个电阻，原来的谐振回路被破坏，线圈内的能量被串联在谐振回路中的该等效电阻迅速消耗，振荡消耗完之后，VCC变为正电压，D1、D2再次导通，线圈转为接收状态。

本例中PIN二极管采用的是型号为MA4P506-1072T的进口器件，该二极管的功率容量很大，且导通时间短、导通电阻小，其相关关键指标在目前全球市场上的同类量产产品中属于一流。对于二极管的开关时间，实测可以做到3μs以内，可以满足要求。

线圈电路电源控制电路总的设计框图如图2所示。

板卡给出的门控信号首先通过UC3714芯片调整波形，如图3所示，UC3714有两个输出端，分别是PWR输出和AUX输出，两个输出端可以独立调节上升沿、下降沿与输入信号的延迟，延迟时间一般在几十纳秒。调节延迟的目的在于使后面输入直流选通电路的门控信号存在一个小的时间差，避免出现两路电源同时输出而造成的短路现象。UC3714输出的PWR信号和AUX信号首先分别进入光电耦合器，目的是将前后的控制信号相互隔离，隔离之后的信号进入MOS管驱动器，驱动器的输出信号可以驱动后面直流选通电路的MOS管栅极。MOS管驱动器选择的是TI的UCC27517A-Q1，它是一个具有正反逻辑输出的MOS驱动器，为了满足高电平时输出0.8A恒流，低电平时输出-15V恒压，将两个的MOS驱动器都反相输出。

直流选通电路需要外供0.8A恒流和-15V恒压直流电源。当外部门控信号给出低电平时，PWR和AUX信号也都为低电平，此时NMOS管Q2不导通，导致Q3也不导通，而Q1是导通的，此时电路输出0.8A恒流；而当门控信号为高电平时，PWR信号和AUX信号给出的是高电平，此时Q2导通，R5和R6形成通路，R6两端产生分压，导致Q3导通，Q1却是不导通的，因此此时电路输出-15V。

NMOS管采用BSS138，电压可加载±20V，满足-15V的要求，开启关断时间在10～30ns之间。PMOS管采用FDN340P，其连续输出电流为2A，最大脉冲输出电流为10A，满足0.8A恒流的要求，开启关断时间在10～50ns之间。

T/R开关的电源控制电路设计采用与线圈耗能电路电源基本相同的设计，只是线圈中正电的电流源设计需要改为T/R开关的电压源设计，T/R开关电源外部需提供±5V两个电压，该电源控制电路的设计不再赘述。

总的T/R开关电源控制电路如图5所示。在各电压处都使用了LM317稳压、去纹波。

试验选用了硅油作为样品，线圈使用上述提到的带有主动开关电路的线圈，以及常规被动线圈。线圈连接在整个核磁系统内，但是将线圈的输出信号通过被动T/R开关直接送入示波器观察振荡时间。

图6是常规被动线圈电路的振荡波形，可以看到实际振荡波形持续到了13μs以上。在振荡结束之后核磁信号会有一个上升的过程，该上升过程使有用核磁信号被接收的时间延后，该过程主要是由于线圈振荡太大使前置放大器饱和，饱和后前置的输出能力受到抑制，需要一段时间的恢复过程。

图7是带有主动开关的线圈电路的振荡波形，可以看到振荡在8μs以内就结束了，且整个振荡波形相比于被动线圈要小，这样就减小了对前置放大的冲击，没有使前置放大器饱和，一方面缩短了震荡时间，一方面消除了放大器饱和恢复的过程，从而将有用核磁信号可以被接收的时间点提前，同时也提高了可靠性。

本发明未说明的技术特征采用成熟的现有技术进行配套。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种射频线圈，其特征在于：

所述射频线圈包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感线圈和主动开关电路。

2.根据权利要求1所述的射频线圈，其特征在于：

所述第三电容和所述第四电容并联接地，并与所述第二电容串联，然后再与所述第一电感线圈并联；所述主动开关电路与第一电感线圈串联。

3.根据权利要求2所述的射频线圈，其特征在于：

所述主动开关电路，包括可正负电压偏置的直流电源、第一PIN二极管、第二PIN二极管和第二电感线圈，所述第一PIN二极管和第二PIN二极管并联接地，并与第二电感线圈串联；

当所述第一电感线圈处在发射状态时，通过所述直流电源提供正电压偏置，第一PIN二极管、第二PIN二极管处于完全导通状态，相当于一根导线，当发射状态结束的瞬间，所述直流电源提供负电压偏置，第一PIN二极管、第二PIN二极管截止，相当于一个电阻，原谐振回路被破坏，线圈内的能量被串联在谐振回路中的该等效电阻迅速消耗，振荡消耗完之后，直流电源变为正电压，第一PIN二极管、第二PIN二极管再次导通，线圈转为接收状态。

4.根据权利要求3所述的射频线圈，其特征在于：

所述直流电源包括调整波形的芯片，所述芯片有PWR输出端和AUX输出端，两个输出端可独立调节上升沿、下降沿与输入信号的延迟，输出的PWR信号和AUX信号分别进入光电耦合器，将前后的控制信号相互隔离，隔离之后的信号进入具有正反逻辑输出的MOS管驱动器，驱动器的输出信号驱动后面直流选通电路的MOS管栅极。

5.根据权利要求4所述的射频线圈，其特征在于：

所述直流选通电路外供0.8A恒定电流和-15V恒压直流电源，当外部门控信号给出低电平时，PWR和AUX信号也都为低电平，此时电路输出0.8A恒流；而当门控信号为高电平时，PWR信号和AUX信号给出的是高电平，此时电路输出-15V。