CN110988762A - 射频功率放大器和磁共振成像系统的射频信号激发电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频功率放大器，包括推挽放大电路，其功率输出通过电感电容网络电路连接到同轴电缆。本发明还提供了使用该射频功率放大器的磁共振成像系统的射频信号激发电路。本发明公开的射频功率放大器，使用电容电感网络电路代替传统的传输线变压器，用于磁共振成像系统的射频信号激发电路，由于需要的电感值小，不需要使用磁性元件，线性度好，在实现阻抗变换和共模差模信号转换的同时，具有体积小、效率高的优点，可以工作于强磁场环境，降低了磁共振系统对功率放大器的要求，推动了磁共振成像系统的可移动性和小型化。

Description

射频功率放大器和磁共振成像系统的射频信号激发电路

技术领域

本发明涉及一种射频功率放大器，还涉及使用了这种功率放大器的磁共振成像系统的射频信号激发电路。

背景技术

磁共振成像系统作为一种大型医疗诊断设备，日益受到更多医生和患者的喜爱，在医疗诊断中得到越来越广泛的应用。在诊断过程中，患者躺于可移动的病床之上，医生帮助患者把需要检查的身体部位置于射频线圈的中部，再移动病床到大型静态磁体的中央，激发患者身体检查部位的组织的磁共振，通过梯度线圈对成像空间进行编码，接收线圈收集带有患者身体检查部位组织信息的磁共振信号，经过数据处理成像，从而获取诊断资料。

激发患者身体检查部位的磁共振的过程包括：信号发生电路产生信号序列，功率放大电路放大信号，再传送给射频线圈，射频线圈受到激励发射大功率射频信号，该射频信号激发磁场中的样品进入磁共振。传统的功率放大电路采用传输线变压器输出信号序列给射频线圈，因为传输线变压器需要缠绕在磁芯上，而磁芯是温度特性敏感的非线性元器件，功率比较大时，磁环出现饱和，影响线性度，从而影响射频线圈的工作稳定性。并且由于磁芯的存在，功率放大电路不能进入屏蔽室，妨碍了磁共振成像系统的小型化。

发明内容

因此有必要提供一种射频功率放大器，用于减少磁共振成像系统中非线性的温度敏感元器件的使用。

本发明公开了一种射频功率放大器，包括推挽放大电路，所述推挽放大电路的功率输出通过电感电容网络电路连接到同轴电缆。

在本发明的一个实施例中，所述推挽放大电路包括上部功率放大管和下部功率放大管，高压电源的供电通过高频隔离电感连接所述上部功率放大管和下部功率放大管；所述上部功率放大管和下部功率放大管分别通过直流隔离电容输出功率信号到所述电感电容网络。

在本发明的一个实施例中，所述电感电容网络包括第一电感器L111、第一电容器C111，和第二电感器L222、第二电容器C222；所述上部功率放大管的功率输出信号通过第一电感器L111连接到同轴电缆的内导体，同时通过第一电容器C111连接同轴电缆的外导体；所述下部功率放大管的功率输出信号连接到同轴电缆的内导体，再通过第二电容器C222和第二电感器L222串联后，连接到同轴电缆的外导体，并且第二电容器C222和第二电感器L222的连接点接地。

假设推挽放大电路的输出阻抗是Z₁，同轴电缆和负载的阻抗为Z₂，可以根据如下公式2以及公式1来选择电感器L和电容器C的值：

ω₀ ²LC＝1 公式1

其中：L为第一电感器或者第二电感器的值；

C为第一电容器或者第二电容器的值；

ω₀为所述射频功率放大器输出的中心频率。

本发明还公开了一种磁共振成像系统的射频信号激发电路，包括按照预定序列发送脉冲信号的信号发生电路，以及用于对所述信号发生电路输出的信号进行放大的功率放大电路；和，激发成像样品进入磁共振状态的射频线圈；所述功率放大电路输出的信号通过电感电容网络电路连接到所述射频线圈，激励该射频线圈进入谐振工作状态。

在本发明的磁共振成像系统的射频信号激发电路的一个实施例中，所述功率放大电路包括推挽放大电路；所述推挽放大电路包括上部功率放大管和下部功率放大管，高压电源的供电通过高频隔离电感连接所述上部功率放大管和下部功率放大管；所述上部功率放大管和下部功率放大管分别通过直流隔离电容输出功率信号到所述电感电容网络电路。

所述电感电容网络电路可以通过同轴电缆连接到所述射频线圈。

在本发明的磁共振成像系统的射频信号激发电路的实施例中，使用上述功率放大器，并使用上述公式2以及公式1来选择电感器L和电容器C的值。

本发明公开的射频功率放大器，使用电容电感网络电路代替传统的传输线变压器，需要的电感值小，线性度好，体积小，效率高，同时提供阻抗变换和共模到差模的信号转换，用于磁共振成像系统的射频信号激发电路，避免了磁性元件对成像设备的影响，还可以工作于强磁场环境，能够减少了传输损耗，降低了相应的磁共振成像系统对功率放大器的要求，推动了磁共振成像系统的可移动性和小型化。

附图说明

图1是磁共振成像的脉冲序列示意图。

图2是磁共振成像系统的射频信号激发电路的框图。

图3是本发明的射频信号激发电路框图。

图4是现有技术中功率放大器的输出电路原理图。

图5是本发明的功率放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步详细说明。本发明的实现并不限于如下所描述的实施例，还可以以许多不同的形式来实现。提供如下实施例的目的，是为了便于更加透彻全面的理解本发明所公开的内容。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中所使用的术语只为描述具体的实施例，不是为了限制本发明。

磁共振成像系统中，包括具有强静态磁场强度的主磁体，主磁体需要置于专业的电磁屏蔽室内，磁共振系统才能正常工作。系统的磁共振频率ω₀，其与主磁体的磁场强度B₀的关系是：

ω₀＝γB₀，其中γ是常数。

在磁共振成像系统中，射频信号激发电路包括信号发生器，当进行某种功能扫描的时候，信号发生器能够根据相应的成像序列激励射频发射线圈产生谐振并发射射频信号，该射频信号能够激发样品达到磁共振状态，然后释放磁共振信号，射频接收装置收集该带有样品特性的磁共振信号，再经过放大以及后续的图像处理功能重建样品图像。

如图1所示是磁共振成像的脉冲序列示意图。脉冲序列一般有五个部分，即射频脉冲、层面选择梯度场、相位编码梯度场、频率编码梯度场及MR信号，五部分从上往下顺序排列，每一部分在时间顺序上是从左到右排列，先后起作用。图1为SE(自旋回波)序列的基本构成，其它脉冲序列的基本构成也有这五个部分，只是所给的参数在时序上的排列有所变化。如图的脉冲序列的基本构建包括自旋准备部分和信号产生部分。自旋准备部分利用梯度场匹配进行的射频脉冲激发，在样品中产生宏观横向磁化矢量的过程。信号产生就是指生成磁共振(MR)信号(可以是FID、自旋回波或者梯度回波)并对信号进行空间编码的过程。信号产生后由射频接收线圈采集，经过傅里叶转换即可重建出MR图像。

图1中有90°脉冲和180°脉冲，表示在射频脉冲的激励下，样品的宏观磁化强度矢量M将偏离静磁场B₀的方向分别为90°和180°。这个偏离的角度称之为翻转角或者射频翻转角，其大小由激励电磁波的强度决定，当射频脉冲的强度增加，可以使翻转角变大。常用的翻转角就是180°和90°这两种，分别称为180°脉冲和90°脉冲。在梯度回波等快速成像序列中，也会经常采用小角度激励技术，系统的恢复时间较快，因而能够有效缩短成像时间。

如图2所示是磁共振成像系统的射频信号激发电路的框图，其中信号发生器20产生信号序列，功率放大电路400对前述信号进行功率放大，负载匹配和传输电路300匹配功率放大电路与射频线圈500，并且把功率放大电路输出的共模信号转成差模信号；射频线圈500受到前述信号的激发谐振并发射出MRI射频信号，该射频信号激励磁场中的样品。可见，射频线圈500发射的射频信号的强弱决定了样品的磁化强度，而射频信号的强弱不仅受到功放电路400的放大倍数的影响，还取决于负载匹配和传输电路300的制约。

图2中功率放大电路200的功率输出依赖负载匹配与传输电路300传送到射频线圈500。传统的功率放大器采用传输线变压器输出射频信号，这是因为输出的功率信号大、变化快，需要变压器有很大的电感值，才能把输出信号以阻抗匹配的方式传送出来，并且还要实现共模信号转差模信号，所以这里用到的传输线变压器一定要有磁芯。因为传输线变压器内部的磁芯是温度特性敏感的元器件，当功率大时会出现饱和失去线性，即工作温度变化时工作特性改变，影响了功率放大器的输出特性。传输线一般采用同轴电缆，由于传输线变压器中磁芯的存在，对其它电磁设备具有较大的电磁干扰，功率放大电路200必须置于主磁体屏蔽室以外，需要用到较长的同轴电缆。

同轴线是由两根同轴的圆柱导体构成的导行系统，内外导体之间填充空气或高频介质，是由同轴的两根内、外导体及中间的电介质构成的双导体传输线。一般同轴线外导体接地，电磁场被限定在内外导体之间，所以同轴线基本没有辐射损耗，几乎不受外界信号干扰。同轴电缆的主体是由内、外两导体构成的，对于导体中流动的电流存在着电阻与电感，对导体间的电压存在着电导与电容，这些特性是沿线路分布的，称为分布常数。由于在制造中尺寸精度和介质材料纯度不均匀的影响，信号在同轴线中会产生信号能量反射，为此终端负载阻抗也应尽量等于电缆的特性阻抗。同轴电缆的衰减特性通常用衰减常数来表示。衰减常数与信号的工作频率的平均方根成正比，即频率越高，衰减常数越大，频率越低，衰减常数越小，所以在高场磁共振系统中输出衰减不可忽略，因为在其射频信号激发电路中当使用传输线变压器时由于需要较长的传输电缆，必然导致一定的衰减。

传输线变压器是成本最低的宽频带大功率隔离传输方式，长期以来在各种场强的磁共振系统的射频信号激发电路中广泛使用，具有较宽的频率通带，能够不失真地把功率放大后的信号传输到射频线圈。传输线变压器输出方式具有高隔离高功率的特征，相当于连接在功率放大电路400与负载之间的变压器，把功率放大电路的功率输出给负载的同时隔离直流信号。由于在工作过程中大功率信号流过电缆，磁芯会发热，为了防止磁芯饱和人们使用尺寸较大的磁环，而且因为磁共振系统中静态强磁场的存在，功率放大电路只能置于屏蔽室外面，不能满足磁共振系统的小型化趋势的需要。

参见图2，功率放大电路400能够对信号发生器20产生的信号序列进行功率放大处理，得到满足射频线圈500的发射功率需要的功率的信号。射频线圈500也可以是收发共用线圈。当射频线圈500作为发射线圈时能够发射大功率射频脉冲信号，当射频线圈500作为接收线圈时能够接收较小功率的核磁信号。

负载匹配与传输电路300用于优化功率放大电路400与射频线圈500之间的匹配关系。射频线圈500就是功率放大电路400的负载，负载的阻抗越小输出功率越大。

如图3所示是本发明的射频信号激发电路框图，作为本发明的一个实施例，负载匹配与传输电路300包括电容电感串并联阻抗匹配电路，我们根据磁共振系统的频率来构建负载匹配与传输电路300的通带中心频率，通过以下公式选择电感器L和电容器C的值：

ω₀ ²LC＝1 公式1

其中：L＝L₁₁₁＝L₂₂₂；C＝C₁₁₁＝C₂₂₂。

以推挽放大器为例，当直流工作电压确定以后，负载阻值越小流过负载的电流越大，负载获得的功率就越大。为了保证功率放大电路的输出功率，使用50欧姆同轴电缆连接功率放大电路400和射频线圈500，设计其中心频率为磁共振系统的共振频率，匹配电路300的频率通带要保证能够成功激励射频线圈。

这是一种克服了现有技术偏见的信号传输方式，虽然功率放大电路400的输出功率信号谐波分量丰富，但是我们选择工作的中心频率为磁共振频率，并且可以通过这种电感电容串并联的网络电路把功率放大电路输出的共模大功率信号转换为差模的功率信号。

如图4所示是现有技术中功率放大电路的输出电路原理图，这是射频功率放大管的典型外围输出电路。两个功率放大管构成推挽放大电路DUT，实现功率放大的功能；高压直流电源Vdd通过隔离高频信号的电感L3、L2和L1以及跨接在地之间的电容器C10、C11、C5为两个功率放大管提供工作电源。功率放大管的输出再分别通过一个隔离直流的电容连接到传输线变压器T₃，传输线一般采用射频同轴电缆。这个传输线变压器T₃为了有效阻断直流信号，需要很大的电感值，因此其中的磁环不可或缺。而且必须把放大电路输出的同模信号转换成差模信号，因为传输线变压器T₃之后的同轴电缆J2的传输部分的外导体接地，把功率信号从电缆传送到射频线圈。这种功率放大和输出电路虽然具有频带宽功率大的优点，但是体积大，损耗大。传输线变压器T₃的磁芯，如果置于屏蔽室内，由于静磁场B0的存在，磁芯会饱和，此时传输线变压器T₃就失去线性，不能正常工作。

如图5所示是本发明的一种功率放大器的电路原理图。其功率放大部分由两个功率放大管构成推挽放大电路，实现功率放大的功能；高压直流电源+HV分别通过一个隔离高频信号的电感连接这两个功率放大管提供工作电源。两个功率放大管的输出再分别通过一个隔离直流的电容连接到电感电容构成的网络电路，传送功率放大电路的两个不同方向的输出信号连接到同轴电缆的内导体和外导体。在本发明的磁共振成像信号激发电路中，该同轴电缆再连接射频线圈，为了适应射频线圈的要求，功率放大电路的中心频率为射频线圈的谐振频率ω₀。

图5中的推挽放大电路包括上部功率放大管，和下部功率放大管。上部功率放大管和下部功率放大管的输出端1都分别串联一个隔直电容输出功率信号。上部功率放大管的输出信号通过串联电感器L111连接到同轴电缆的内导体，同时通过电容器C111连接同轴电缆的外导体；下部功率放大管的输出信号连接到同轴电缆的内导体，再通过电容器C222和电感器L222串联后，连接到同轴电缆的外导体，并且电容器C222和电感器L222之间的连接点接地。假设功率放大电路的输出阻抗是Z₁，射频线圈以及传输线的阻抗为Z₂，可以根据如下公式2以及公式1来选择电感器L和电容器C的值：

其中：L是L111或者L222的值；C是C222或者C111的值。

功率放大器的输入输出都需要良好的匹配才能稳定的工作，这种阻抗匹配不仅跟外接的电感、电容来匹配，还包括分布电容，引线电感等参数。这种电感电容串并联网络组成的阻抗匹配电路能把功率放大器输出的差模信号转换成共模信号，再通过电缆传送到射频线圈。

如图5所示的本发明的电感电容串并联阻抗匹配电路，因为需要的电感值较小，不需要磁环就能实现，所以线性度好，其输出电路中所需要的电感值与图4所示的电路比较可以小一个数量级，而且体积小，效率高，可提供阻抗变换和共模信号转换，还可以工作于强磁场环境。

以上所述实施例的技术特征还可以进行其它的组合，为了简洁这里未对技术特征的所有可能组合进行全面描述。在此声明只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都属于本说明书记载的范围。

以上所述实施例具体和详细地描述了本发明的几种实施方式，这不是对发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进都属于本发明的保护范围，本发明专利的保护范围以其权利要求为准。

Claims (9)

1.一种射频功率放大器，包括推挽放大电路，其特征在于，所述推挽放大电路的功率输出通过电感电容网络电路连接到同轴电缆。

2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述推挽放大电路包括上部功率放大管和下部功率放大管，高压电源的供电通过高频隔离电感连接所述上部功率放大管和下部功率放大管；所述上部功率放大管和下部功率放大管分别通过直流隔离电容输出功率信号到所述电感电容网络电路。

3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于，所述电感电容网络电路包括第一电感器L111、第一电容器C111，和第二电感器L222、第二电容器C222；所述上部功率放大管的功率输出信号通过第一电感器L111连接到同轴电缆的内导体，同时通过第一电容器C111连接同轴电缆的外导体；所述下部功率放大管的功率输出信号连接到同轴电缆的内导体，再通过第二电容器C222和第二电感器L222串联后，连接到同轴电缆的外导体，并且第二电容器C222和第二电感器L222之间的连接点接地。

4.如权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，假设推挽放大电路的输出阻抗是Z₁，同轴电缆和负载的阻抗为Z₂，可以根据如下公式1和公式2选择电感器L和电容器C的值：

ω₀ ²LC＝1 公式1

其中：L为第一电感器或者第二电感器的值；

C为第一电容器或者第二电容器的值；

ω₀为所述射频功率放大器输出的中心频率。

5.一种磁共振成像系统的射频信号激发电路，包括按照预定序列发送脉冲信号的信号发生电路，以及用于对所述信号发生电路输出的信号进行放大的功率放大电路；和，激发成像样品进入磁共振状态的射频线圈；其特征在于，所述功率放大电路输出的信号通过电感电容网络电路连接到所述射频线圈，激励该射频线圈进入谐振工作状态。

6.如权利要求5所述的磁共振成像系统的射频信号激发电路，其特征在于，所述功率放大电路包括推挽放大电路；所述推挽放大电路包括上部功率放大管和下部功率放大管，高压电源的供电通过高频隔离电感连接所述上部功率放大管和下部功率放大管；所述上部功率放大管和下部功率放大管分别通过直流隔离电容输出功率信号到所述电感电容网络电路。

7.如权利要求6所述的磁共振成像系统的射频信号激发电路，其特征在于，所述电感电容网络电路通过同轴电缆连接到所述射频线圈。

8.如权利要求7所述的磁共振成像系统的射频信号激发电路，其特征在于，所述电感电容网络包括第一电感器L111、第一电容器C111，和第二电感器L222、第二电容器C222；所述上部功率放大管的功率输出信号通过第一电感器L111连接到同轴电缆的内导体，同时通过第一电容器C111连接同轴电缆的外导体；所述下部功率放大管的功率输出信号连接到同轴电缆的内导体，再通过第二电容器C222和第二电感器L222串联后，连接到同轴电缆的外导体，并且第二电容器C222和第二电感器L222的连接点接地。

9.如权利要求8所述的磁共振成像系统的射频信号激发电路，其特征在于，假设功率放大电路的输出阻抗是Z₁，同轴电缆和负载的阻抗为Z₂，可以根据如下公式1和公式2选择电感器L和电容器C的值：

ω₀ ²LC＝1 公式1

其中：L为第一电感器或者第二电感器的值；

C为第一电容器或者第二电容器的值；

ω₀为所述射频线圈的工作频率。

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