CN110190817A - 一种基于pin二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法；该线性度调试方法包含三处由隔直耦合电容、PIN二极管组成的调试电路；PIN二极管的偏置信号由射频放大器输出耦合后的包络信号经钳位、调制后形成；利用PIN二极管在不同偏置电流下等效阻抗变化的特性，通过改变PIN二极管偏置信号的钳位、调制方式并选取合适的隔直耦合电容，上述三处调试电路可分别控制中高功率输出区域增益降低、高功率输出区域增益提高和相位线性度调整功能，实现射频放大器的线性度控制；本发明的基于PIN二极管的磁共振用频放大器线性度调试方法，所用电子元件均为模拟元件，不包含数字芯片，不易受到电磁干扰，电路简单，调试方便，成本低廉，性能可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，在磁共振成像系统中使用，用于磁共振用射频放大器的线性度控制。
背景技术
磁共振成像是一种先进的人体无损成像的技术，广泛应用于人体各个部位疾病的诊断。磁共振用射频放大器是磁共振成像系统的重要组成部分，它用于激发人体内的磁共振信号，其性能直接决定着磁共振成像质量的好坏。
为了避免激发信号经过射频放大器放大后产生明显失真，磁共振用射频放大器的线性度需满足一定的标准要求。因为磁共振用射频放大器的输出功率较高，通常在10kW以上，其内部的射频功率管在高功率输出时工作在非线性区，不同输入功率下射频放大器的输出增益变化较大，因此需要线性度控制技术来调整射频放大器使其不同功率下输出增益一致。
线性度控制技术可分为两大类。一类是数字线性度控制，即一般是通过功率传感器检测射频放大器的输入和输出包络，然后通过模数转换器将信号发送到控制芯片，控制芯片对照输入输出信号，通过查表或实时运算等方式得到不同输入功率下的增益补偿数据，并控制相应的数字功率控制器及数字相位转换器以实现射频放大器的线性化控制。线性度控制技术的优点是理论控制精度高，但需要数模信号转换模块和控制单元，电路复杂，成本较高，且控制信号会存在一定延时。同时因为磁共振用射频放大器瞬态功率极高，数字信号很容易受到电磁干扰，使控制电路失效。另一类是模拟线性度调试，它主要是通过设计带功率补偿功能的调试电路来实现，其缺点是理论控制精度相对数字化控制技术较低，优点是电路简单易实现，成本低，且控制信号均来源于射频输出的耦合信号，抗干扰能力强，稳定性更高。
本发明提供一种基于PIN二极管模拟线性度调试方法，利用PIN二极管在不同偏置电流下等效阻抗变化的特性，通过钳位等方法实现射频放大器限定输出范围内的按需调试，能有效地提高补偿精度，实现射频放大器的线性度控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本较低，且性能可靠的模拟线性度调试方法，用以改善磁共振用射频放大器的增益和相位线性度。
实现上述目的的技术方案是：一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，包含三处由隔直耦合电容、PIN二极管组成的调试电路，射频放大器的输出信号经定向耦合器耦合后整流得到的包络信号作为调控信号源，通过钳位、调制后形成偏置电流输出至PIN二极管上，改变PIN二极管的等效阻抗，以实现射频放大器限定范围内的增益降低或提高、相位增加或减少的调控。
优选的，第一处电路使用直流偏置电压、单端运放和稳压二极管钳位所述包络信号，控制射频放大器中高功率输出区域增益降低。
优选的，第二处电路使用直流偏置电压和单端运放低边钳位所述包络信号，控制射频放大器高功率输出区域增益提高。
优选的，第三处电路使用直流偏置电压、单端运放和稳压二极管钳位所述包络信号，实现射频放大器相位线性度调整。
进一步的，第一处电路的具体操作方式为：包络信号输入到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET1输入到单端运放的反向输入端；当包络信号电压小于VOFFSET1的一半时，单端运放的输出均为0V，包络信号电压大于VOFFSET1的一半时，单端运放才开始输出正向的控制信号，实现包络信号的低位钳位；单端运放输出的控制信号流经一个正极接地的稳压二极管，当包络信号电压继续增大时，控制信号会被高位钳位在稳压二极管的反向电压处，使控制信号电压维持不变；PIN二极管的偏置电流由控制信号继续经过可调电阻、电阻和电感产生；所以当射频放大器输出功率较低时，因为包络信号的低位钳位，PIN二极管维持在高阻态；随着射频放大器输出功率进入中功率区，流经PIN二极管的偏置电流逐渐增大，PIN二极管的等效电阻逐渐减小；而当射频放大器输出功率进一步进入高功率区后，由于稳压二极管的高位钳位，流经PIN二极管的偏置电流保持恒定，PIN二极管等效电阻也维持在较低的阻值。
进一步的，第二处电路的具体操作方式为：包络信号输出到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET2输入到单端运放的反向输入端，包络信号可以被VOFFSET2低位钳位；单端运放输出的控制信号继续输入到一个运放的反向输入端，该运放的同相输入端接地，此时控制信号电压会负向放大；VOFFSET2电压较高，当射频放大器未进入高功率输出区域时，包络信号被低位钳位，施加在可调电阻R9上的控制信号为0V，因为PIN二极管会将其正向偏压钳位在0V附近，所以流经PIN二极管的偏置电流等于直流偏置电压VOFFSET3在电阻R10上产生的电流，PIN二极管等效电阻维持在较低的阻值；当射频放大器的输出功率进一步提高时，施加在可调电阻R9上的控制信号会负向增大，VOFFSET3产生的电流会有部分被电阻R11分流，负向控制信号越大，分流电流也越大，流经PIN二极管的偏置电流减小，PIN二极管等效电阻也随之增大。
进一步的，第三处电路的具体操作方式与第一处电路操作方法相同：通过VOFFSET4和稳压二极管对包络信号的低位、高位钳位选定需要调控的输出区域。
进一步的，PIN二极管选用的是MACON公司的MA4SPS421，三处直流耦合电容分别为680pF、470pF和22pF；偏置电流产生电路中的单端运放使用TLC271CDR，用于反向的运放为TL082CDR；所用电阻均为1kΩ，所用电感均为2.7nH，所用可调电阻为Bourns公司的3362Z-1-103LF，所用的稳压二极管为BZV55C5V1；射频放大器的最高输出功率为20kW，最高输出时耦合的包络信号电压为5V；VOFFSET1被设置为1V，VOFFSET2为7V，VOFFSET3为3V，VOFFSET4为1V；增益线性度被控制在1dB以内，相位线性度被控制在8°以内。
有益效果：本发明的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，所用电子元件种类较少，电路简单易实现，成本较低，且控制信号来源于射频输出的耦合信号和直流偏置电压信号，抗干扰能力强，在射频放大器高功率输出时依然可以精确控制，稳定性高。
附图说明
图1为所述于PIN二极管的线性度调试方法的调试电路示意图；
图2为所述射频放大器输出随输入功率的原始增益和调控后增益变化示意图；
图3为所述第一处调试电路的偏置电流产生电路示意图；
图4为所述第二处调试电路的偏置电流产生电路示意图；
图5为所述第三处调试电路的偏置电流产生电路示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
参阅图1所示，本发明的实施例，一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，该线性度调试方法包含三处由隔直耦合电容、PIN二极管组成的调试电路；在射频传输电路中，隔直耦合电容和PIN二极管的加入会改变电路的阻抗匹配以影响射频信号的传输；PIN二极管是在P型半导体材料和N型半导体材料之间加一薄层低掺的本征(Intrinsic)半导体层形成的二极管；PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多子会注入到I区，并在I区复合；当注入载流子和复合载流子相等时，电流I达到平衡状态；而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低；所以当PIN二极管正向偏置时，可以等效为一个电阻，注入I层的电流就越大，I层载流子越多，其电阻就越小；隔直耦合电容的存在可以阻止PIN二极管上的偏置电流直接施加到射频传输电路中，同时它也会影响调试电路对射频传输阻抗的改变，当隔直耦合电容较大时，射频传输阻抗变化较大，当隔直耦合电容较小时，射频传输阻抗变化也会随之减小；利用PIN二极管在不同偏置电流下等效阻抗变化的特性，通过挑选合适容值的隔直耦合电容，调整PIN二极管的偏置电流，可以改变电路的阻抗匹配，实现对射频放大器线性度的调控；
参阅图2～5所示，磁共振用射频放大器的输出功率较高，其内部的射频功率管在阻抗牵引实现高功率输出后工作在非线性区，不同输入功率下射频放大器的原始输出增益变化较大，通常在4dB以上，如实线所示；在磁共振系统中，为了得到更好的磁共振图像，射频放大器的线性度需控制在1dB以内；故利用射频放大器的输出信号经定向耦合器耦合后整流得到的包络信号作为调控信号源，通过高低位钳位实现限定范围内的增益调控；
第一处调试电路的偏置电流产生电路：包络信号输入到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET1输入到单端运放的反向输入端；当包络信号电压小于VOFFSET1的一半时，单端运放的输出均为0V，包络信号电压大于VOFFSET1的一半时，单端运放才开始输出正向的控制信号，实现包络信号的低位钳位；单端运放输出的控制信号流经一个正极接地的稳压二极管，当包络信号电压继续增大时，控制信号会被高位钳位在稳压二极管的反向电压处，使控制信号电压维持不变；PIN二极管的偏置电流由控制信号继续经过可调电阻、电阻和电感产生；所以当射频放大器输出功率较低时，因为包络信号的低位钳位，PIN二极管维持在高阻态；随着射频放大器输出功率进入中功率区，流经PIN二极管的偏置电流逐渐增大，PIN二极管的等效电阻逐渐减小；而当射频放大器输出功率进一步进入高功率区后，由于稳压二极管的高位钳位，流经PIN二极管的偏置电流保持恒定，PIN二极管等效电阻也维持在较低的阻值；通过上述调试，第一处调试电路可以控制射频放大器中高功率输出区域增益降低，如虚线所示；
第二处调试电路的偏置电流产生电路：包络信号输出到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET2输入到单端运放的反向输入端，包络信号可以被VOFFSET2低位钳位；单端运放输出的控制信号继续输入到一个运放的反向输入端，该运放的同相输入端接地，此时控制信号电压会负向放大；VOFFSET2电压较高，当射频放大器未进入高功率输出区域时，包络信号被低位钳位，施加在可调电阻R9上的控制信号为0V，因为PIN二极管会将其正向偏压钳位在0V附近，所以流经PIN二极管的偏置电流等于直流偏置电压VOFFSET3在电阻R10上产生的电流，PIN二极管等效电阻维持在较低的阻值；当射频放大器的输出功率进一步提高时，施加在可调电阻R9上的控制信号会负向增大，VOFFSET3产生的电流会有部分被电阻R11分流，负向控制信号越大，分流电流也越大，流经PIN二极管的偏置电流减小，PIN二极管等效电阻也随之增大；通过上述调试，第二处调试电路可以控制射频放大器高功率输出区域增益提升，如点线所示；
通过上述两步调试，射频放大器的增益线性度已可以控制在1dB以内，但除了增益线性度，射频放大器的相位线性度也需维持在一定范围以内；第三处调试电路的隔直耦合电容很小，对射频放大器的增益影响较小，主要用来实现相位线性度的调控；
第三处调试电路的偏置电流产生电路：控制方法与第一处电路一样，通过VOFFSET4和稳压二极管对包络信号的低位、高位钳位选定需要调控的输出区域；本实施例中，此处调试电路可以有效减小射频放大器中高功率输出区域相位，将整体的相位线性度维持在一定的范围内；如需将中高功率输出区域相位增大，可将第二处的偏置电流产生电路此处电路。
本实施例中，PIN二极管选用的是MACON公司的MA4SPS421，三处直流耦合电容分别为680pF、470pF和22pF；偏置电流产生电路中的单端运放使用TLC271CDR，图4中用于反向的运放为TL082CDR；所用电阻均为1kΩ，所用电感均为2.7nH，所用可调电阻为Bourns公司的3362Z-1-103LF，所用的稳压二极管为BZV55C5V1；射频放大器的最高输出功率为20kW，最高输出时耦合的包络信号电压为5V；VOFFSET1被设置为1V，VOFFSET2为7V，VOFFSET3为3V，VOFFSET4为1V；增益线性度被控制在1dB以内，相位线性度被控制在8°以内。
综上所述，本发明的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，所用电子元件种类较少，电路简单易实现，成本较低，且控制信号来源于射频输出的耦合信号和直流偏置电压信号，抗干扰能力强，在射频放大器高功率输出时依然可以精确控制，稳定性高。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (8)
1.一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，包含三处由隔直耦合电容、PIN二极管组成的调试电路，射频放大器的输出信号经定向耦合器耦合后整流得到的包络信号作为调控信号源，通过钳位、调制后形成偏置电流输出至PIN二极管上，改变PIN二极管的等效阻抗，以实现射频放大器限定范围内的增益降低或提高、相位增加或减少的调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第一处电路使用直流偏置电压、单端运放和稳压二极管钳位所述包络信号，控制射频放大器中高功率输出区域增益降低。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第二处电路使用直流偏置电压和单端运放低边钳位所述包络信号，控制射频放大器高功率输出区域增益提高。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第三处电路使用直流偏置电压、单端运放和稳压二极管钳位所述包络信号，实现射频放大器相位线性度调整。
5.根据权利要求2所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第一处电路的具体操作方式为：包络信号输入到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET1输入到单端运放的反向输入端；当包络信号电压小于VOFFSET1的一半时，单端运放的输出均为OV，包络信号电压大于VOFFSET1的一半时，单端运放才开始输出正向的控制信号，实现包络信号的低位钳位；单端运放输出的控制信号流经一个正极接地的稳压二极管，当包络信号电压继续增大时，控制信号会被高位钳位在稳压二极管的反向电压处，使控制信号电压维持不变；PIN二极管的偏置电流由控制信号继续经过可调电阻、电阻和电感产生；所以当射频放大器输出功率较低时，因为包络信号的低位钳位，PIN二极管维持在高阻态；随着射频放大器输出功率进入中功率区，流经PIN二极管的偏置电流逐渐增大，PIN二极管的等效电阻逐渐减小；而当射频放大器输出功率进一步进入高功率区后，由于稳压二极管的高位钳位，流经PIN二极管的偏置电流保持恒定，PIN二极管等效电阻也维持在较低的阻值。
6.根据权利要求3所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第二处电路的具体操作方式为：包络信号输出到单端运放的同相输入端，直流偏置电压VOFFSET2输入到单端运放的反向输入端，包络信号可以被VOFFSET2低位钳位；单端运放输出的控制信号继续输入到一个运放的反向输入端，该运放的同相输入端接地，此时控制信号电压会负向放大；VOFFSET2电压较高，当射频放大器未进入高功率输出区域时，包络信号被低位钳位，施加在可调电阻R9上的控制信号为OV，因为PIN二极管会将其正向偏压钳位在OV附近，所以流经PIN二极管的偏置电流等于直流偏置电压VOFFSET3在电阻R10上产生的电流，PIN二极管等效电阻维持在较低的阻值；当射频放大器的输出功率进一步提高时，施加在可调电阻R9上的控制信号会负向增大，VOFFSET3产生的电流会有部分被电阻R11分流，负向控制信号越大，分流电流也越大，流经PIN二极管的偏置电流减小，PIN二极管等效电阻也随之增大。
7.根据权利要求4所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，第三处电路的具体操作方式与第一处电路操作方法相同：通过VOFFSET4和稳压二极管对包络信号的低位、高位钳位选定需要调控的输出区域。
8.根据权利要求1～7所述的一种基于PIN二极管的磁共振用射频放大器线性度调试方法，其特征在于，PIN二极管选用的是MACON公司的MA4SPS421，三处直流耦合电容分别为680pF、470pF和22pF；偏置电流产生电路中的单端运放使用TLC271CDR，用于反向的运放为TL082CDR；所用电阻均为1kΩ，所用电感均为2.7nH，所用可调电阻为Bourns公司的3362Z-1-103LF，所用的稳压二极管为BZV55C5V1；射频放大器的最高输出功率为20kW，最高输出时耦合的包络信号电压为5V；VOFFSET1被设置为1V，VOFFSET2为7V，VOFFSET3为3V，VOFFSET4为1V；增益线性度被控制在1dB以内，相位线性度被控制在8°以内。
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