CN113484809A - 射频功率放大器的输出稳定装置、射频系统和磁共振系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种射频功率放大器的输出稳定装置、射频系统和磁共振系统，其中，所述输出稳定装置连接射频功率放大器，包括：增益补偿模块和非线性校正模块；所述增益补偿模块，根据补偿参数以及预设的补偿规则对射频输入信号进行补偿；所述非线性校正模块，用于对射频输入信号进行非线性校正。通过本申请，补偿了射频功率放大器因温湿度变化、供电电压波动导致的输出功率波动，弥补了传统开环补偿的不足，使射频功率放大器在不同工况下的输出都能稳定，提高了补偿效果。

Description

射频功率放大器的输出稳定装置、射频系统和磁共振系统
技术领域
本申请涉及磁共振技术领域，特别是涉及一种射频功率放大器的输出稳定装置、射频系统和磁共振系统。
背景技术
在磁共振系统中，射频功率放大器是不可缺少的一部分。磁共振系统对射频功率放大器性能要求较高，射频功率放大器需要将磁共振波谱仪发射的射频脉冲放大并输出到发射线圈以激发实验样本，因此射频功放需要保证增益稳定来达到良好的成像效果。然而射频功率放大器具有非线性特性，当射频功率放大器工作在饱和区或截止区时，会引起脉冲信号非线性失真。这种失真包括频带内幅度和相位失真以及频带外频谱扩展，干扰相邻信道的信号传输，最终使得磁共振系统成像出现伪影、畸变，画面质量降低，干扰疾病诊断和科学研究。
现有的射频功率放大器稳定方案中：一种是通过反馈法，反馈法利用输出信号直接抑制输入信号，或者通过输出和输入信号通过一种间接的连接方式进行比较进行间接负反馈法。另一种是预失真技术，其基本思想是在射频功率放大器前插入一个曲线特性与射频功率放大器曲线特性互逆的预失真器进行非线性校正，通过预失真器与射频功率放大器的联级使用进而实现射频功率放大器线性化。但是这些方案都没有考虑功放工作时，功放增益波动对补偿结果的影响，导致补偿效果不理想。
发明内容
本申请实施例提供了一种射频功率放大器的输出稳定装置、射频系统和磁共振系统，以至少解决相关技术中射频功率放大器的输出补偿效果不理想的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种射频功率放大器的输出稳定装置，所述输出稳定装置连接射频功率放大器，包括：增益补偿模块和非线性校正模块；
所述增益补偿模块，根据补偿参数以及预设的补偿规则对射频输入信号进行补偿；
所述非线性校正模块，用于对射频输入信号进行非线性校正。
在其中一些实施例中，所述补偿规则为不同供电电压、不同结温、不同输出功率与对应的增益补偿量之间的映射关系。
在其中一些实施例中，所述映射关系为补偿参数与对应的增益补偿量之间的增益补偿表。
在其中一些实施例中，所述映射关系为通过数据拟合方式得到的补偿参数与对应的增益补偿量之间的函数关系。
在其中一些实施例中，所述增益补偿模块还包括：信号采集模块和补偿量获取模块，所述信号采集模块连接所述射频功率放大器和所述补偿量获取模块；
所述信号采集模块，用于获取所述射频功率放大器的补偿参数并输出至所述补偿量获取模块；
所述补偿量获取模块，用于基于所述射频功率放大器的补偿参数及所述预设的补偿规则，得到射频功率放大器的增益补偿量。
在其中一些实施例中，所述信号采集模块包括：温度获取模块、供电电压获取模块和功率获取模块；
所述供电电压获取模块，用于采集所述射频功率放大器的供电电压；
所述温度获取模块，用于获取所述射频功率放大器的结温；
所述功率获取模块，用于获取所述射频功率放大器的功率。
在其中一些实施例中，所述射频功率放大器的结温为环境温度与功放结温温升之和。
在其中一些实施例中，所述功放结温温升基于所述射频功率放大器的损耗功率和等效热阻计算得到。
第二方面，本申请实施例提供了一种射频系统，包括如上述第一方面所述的射频功率放大器的输出稳定装置、射频功率放大器和射频线圈，所述射频功率放大器连接所述输出稳定装置和所述射频线圈，射频输入信号经所述输出稳定装置补偿、以及射频功率放大器放大后通过射频线圈发出。
第三方面，本申请实施例提供了一种磁共振系统，包括如上述第二方面所述的射频系统。
相比于相关技术，本申请实施例提供的射频功率放大器的输出稳定装置，通过设置增益补偿模块和非线性校正模块，在对射频输入信号进行非线性校正的传统方案基础上增设了增益补偿模块，补偿了射频功率放大器因相关因素变化导致的输出功率波动，弥补了传统开环补偿的不足，使射频功率放大器在不同工况下的输出都能稳定，提高了补偿效果。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请其中一个实施例中射频功率放大器的输出稳定装置的结构示意图；
图2是本申请其中一个实施例中输出稳定装置与功率放大器的配合结构示意图；
图3是本申请其中一个实施例中MOSFET的传输特性图；
图4是本申请其中一个实施例中射频功率放大器的增益曲线图；
图5是本申请另一个实施例中射频功率放大器的输出稳定装置的结构示意图；
图6是本申请一个实施例中射频系统的结构示意图。
附图说明：1、输出稳定装置；11、增益补偿模块；111、信号采集模块；112、补偿量获取模块；12、非线性校正模块；2、射频功率放大器；3-射频线圈。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
磁共振成像(magnetic resonance，MR)是断层成像的一种，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。磁共振成像设备通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理获得图像，即核磁共振成像。核磁共振检查彻底摆脱了电离辐射对人体的损害，又有参数多、信息量大、可多方位成像，以及对软组织有高分辨力等突出的特点，在各个领域，尤其是医学诊断中得到了广泛应用。
射频线圈是磁共振成像系统的重要组成部分，所有的磁共振扫描检查都要借助射频线圈来完成，其功能是发射射频脉冲、接收MRI信号，是MRI系统成像的一个重要环节。通常，磁共振成像系统还包括驱动射频线圈的射频功率放大器2。射频功率放大器2接收脉冲信号，将接收的脉冲信号放大，并将放大后的脉冲信号提供到射频线圈，由此驱动或控制射频线圈产生射频磁场，从而产生射频激励用于成像。
如图1-2所示，本实施例提供了一种射频功率放大器的输出稳定装置，所述输出稳定装置1连接射频功率放大器2，包括增益补偿模块11。具体的，所述输出稳定装置1与射频功率放大器2配合使用，所述输出稳定装置1可以设置在所述射频功率放大器2的输入侧，射频输入信号经所述输出稳定装置1中增益补偿模块11的补偿后输出至射频功率放大器2。示例性的，在一些实施例中，增益补偿模块11例如可以是可编程增益放大器，根据补偿参数以及预设的补偿规则补偿射频输入信号并反馈至射频功率放大器2的信号输入端。
在其中一些实施例中，射频功率放大器的输出稳定装置1还包括非线性校正模块12。其中，所述增益补偿模块11连接所述非线性校正模块12。在一些实施例中，所述增益补偿模块11分别连接所述非线性校正模块12和所述射频功率放大器2；在另一些实施例中，所述非线性校正模块12分别连接所述增益补偿模块11和所述射频功率放大器2，本申请在此不做具体限定。
通常，为获得高质量的磁共振图像，磁共振系统要求射频在较大的动态范围内具有良好的线性。但射频功率放大器2本身是非线性器件，输出信号存在较大的非线性失真。在本实施例中，通过设置非线性校正模块12，可以对射频输入信号进行调整，将调整后的信号输出至射频功率放大器2。非线性校正模块12可以采用预失真技术、前馈法等方式实现。非线性校正模块12和射频功率放大器2共同组成线性放大系统，使得输入信号和输出信号保持线性关系，避免产生非线性失真。
由于磁共振系统中对射频功率放大器2性能要求较高，射频功率放大器2的输出功率很大，其瞬时功率可达到数十千瓦级以上。一般常用多个金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)通过串并联的方式组合产生足够高的功率；其次射频功放需要保证增益稳定来达到良好的成像效果。因为MOSFET本身增益非线性，故需要通过补偿来保证功放增益稳定。
如图3是MOSFET的传输特性图，其中，横轴是输入功率Vgs(dBm)，纵轴是MOSFET的供电电流(其与输出功率是正相关非线性的)。从图中可以看出，在不同的温度Tj(℃)下，输出功率Id(dBm)与输入功率Vgs(dBm)之间曲线关系不同，表明温度会影响输入功率与输出之间的关系，即影响增益值。另外，当射频功率放大器2在磁共振射频信号的工作带宽范围中使用时，也会引起射频功率放大器2所用的功率管结温温度升高，进而导致射频功率放大器2的增益发生变化。同时从图中可以看出当输入功率Vgs(dBm)或输出功率Id(dBm)在小于某一值时，输出功率和温度成正相关；当高于该值时，输出功率和温度成负相关，所以不仅需要考虑温度的影响，还要关注功率对增益的影响。
图4是射频功率放大器2的增益曲线图，如图4所示，在不同的供电电压下，功放增益曲线不一致。因此除了温度、功率等因素，还需要对供电电压波动导致的增益波动进行补偿。
可见，上述各种相关因素变化同样会导致功放增益波动，此时现有非线性校正方案对这些相关因素无法补偿，导致输出稳定效果不理想。本实施例通过所述增益补偿模块11配置射频功率放大器2的补偿参数，根据补偿参数以及预设的补偿规则对射频输入信号进行实时补偿和调节，可以进一步提高射频功率放大器2的稳定效果。
在一些实施例中，至少将射频功率放大器2的供电电压、结温和功率中的至少一种配置射频功率放大器2的补偿参数；在另一些实施例中，补偿参数可以根据工况进行自定义配置。在所述补偿参数中，所述供电电压为射频功率放大器2的电压值；所述结温为环境温度与功放结温温升之和；所述功率为射频功率放大器2的输入功率和输出功率。所述补偿规则可以是根据样本数据建立的增益补偿表、函数或者机器学习模型等，补偿规则可以进行自定义配置，本申请在此不做具体限定。
综上，本申请实施例提供的射频功率放大器的输出稳定装置，通过设置增益补偿模块和非线性校正模块，在对射频输入信号进行非线性校正的传统方案基础上增设了增益补偿模块，根据补偿参数以及预设的补偿规则对射频输入信号进行补偿，使得射频功率放大器因相关因素变化导致的输出功率波动得到补偿，弥补了传统开环补偿的不足，从而使射频功率放大器在不同工况下的输出都能稳定，输出波动情况得到明显改善，提高了补偿效果。
下面通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。
在上述实施例的基础上，在其中一些实施例中，所述补偿规则为不同供电电压、不同结温、不同输出功率与对应的增益补偿量之间的映射关系。
具体的，在本实施例中，首先获取影响射频功率放大器输出稳定性的相关影响因素与对应的增益补偿量，相关影响因素包括不同供电电压、不同结温和不同输出功率。通过预先建立上述不同相关影响因素与对应的增益补偿量的映射关系，将该映射关系确定为增益补偿规则。其中，所述功放增益为射频功率放大器的输出功率与输入功率之差；所述增益补偿量为功放增益与期望增益之差。
在一种具体的实施方式中，所述映射关系可以为补偿参数与对应的增益补偿量之间的增益补偿表。示例性的，可以通过实验模拟射频功率放大器2在不同补偿参数下的增益曲线，得到对应的增益补偿量，从而建立不同补偿参数与对应的增益补偿量之间的增益补偿表。在对射频功率放大器2进行增益补偿时，增益补偿模块11根据当前采集到的补偿参数，查询预存的增益补偿表，以得到查询所得的增益补偿量，使得增益补偿模块11根据所述增益补偿量对射频输入信号进行补偿。
在另一种具体的实施方式中，所述映射关系为通过数据拟合方式得到的补偿参数与对应的增益补偿量之间的函数关系。示例性的，可以通过实验模拟射频功率放大器2在不同补偿参数下的增益曲线，得到对应的增益补偿量。进一步地，通过数据拟合建立不同补偿参数与对应的增益补偿量之间的函数关系。在对射频功率放大器2进行增益补偿时，增益补偿模块11根据当前采集到的补偿参数，并根据预存的函数关系进行计算，得到对应的增益补偿量，使得增益补偿模块11根据所述增益补偿量对射频输入信号进行补偿。
图5是根据本申请实施例的射频功率放大器2的输出稳定装置1的结构示意图，如图5所示，在上述实施例的基础上，在其中一些实施例中，所述增益补偿模块11还包括：信号采集模块111和补偿量获取模块112，所述信号采集模块111连接所述射频功率放大器2和所述补偿量获取模块112。
在本实施例中，所述信号采集模块111用于获取所述射频功率放大器2的补偿参数并输出至所述补偿量获取模块112。其中，所述信号采集模块111包括：温度获取模块、供电电压获取模块和功率获取模块。
所述供电电压获取模块，用于采集所述射频功率放大器2的供电电压。示例性的，可以通过现有技术中的ADC(Analog to Digital Converter，模数变换器)采样获取所述射频功率放大器2的供电电压。ADC采样方法为本领域的现有技术，本申请在此不做赘述。
所述功率获取模块，用于获取所述射频功率放大器的功率。具体的，所述功率包括功率放大器的输入功率和功率放大器的输出功率。功率获取模块例如可以是HLW8012,等现有的功率检测模块，也可以通过ADC采样采集的功放供电电压、电流值计算得到，本申请不做具体限定。通过获取所述射频功率放大器的功率，进一步计算得到功放增益，并根据期望增益计算得到对应的功放补偿量。
在一些实施例中，所述温度获取模块用于获取所述射频功率放大器的环境温度。其中，示例性的，所述环境温度可以通过温湿度传感器检测得到。
在另一些实施例中，结温是指处于电子设备中实际半导体器件的最高温度，其通常高于半导体器件的表面温度。在射频功率放大器2工作时，其结温会直接影响到射频功率放大器2以及射频功率放大器2所在系统的可靠性和稳定性。所述温度获取模块用于获取所述射频功率放大器2的结温，将所述结温作为补偿参数之一。具体的，在一些实施方式中，所述射频功率放大器2的结温为环境温度与功放结温温升之和，可以通过获取环境温度和功放结温温升，得到射频功率放大器2的结温。示例性的，所述功放结温温升可以通过温度传感器实时测量得到；也可以基于所述射频功率放大器2的损耗功率和等效热阻计算得到。具体的，首先采集的功放供电电压Vin、输入电流Iin计算得到功放直流功率P，根据功放直流功率P和功放输出功率Pout计算功放的损耗功率Ploss。具体的计算式如下：
Ploss＝Vin*Iin-Pout
其中，Ploss为损耗功率，w；Vin为功放供电电压，v；Iin为输入电流，A；Pout为功放输出功率，w。
然后,根据功放损耗功率Ploss和等效热阻R可以确定功放结温温升ΔT：
ΔT＝R*Ploss
其中，R为功率放大器的等效热阻，Ω。
可以理解，在其他实施方式中，还可以采用其他方式获取所述功放结温，如采用热敏电参数法、电热耦合模型结温测量法等等，本申请对功放结温温升的获取方式不进行限定。
在本实施例中，所述补偿量获取模块112用于基于所述射频功率放大器2的补偿参数及所述预设的补偿规则，得到射频功率放大器2的增益补偿量。具体的，所述补偿规则为不同供电电压、不同结温、不同输出功率与对应的增益补偿量之间的映射关系。当所述映射关系可以为补偿参数与对应的增益补偿量之间的增益补偿表时，补偿量获取模块112根据当前采集到的补偿参数，查询预存的增益补偿表，以得到查询所得的增益补偿量。当所述映射关系为通过数据拟合方式得到的补偿参数与对应的增益补偿量之间的函数关系时，补偿量获取模块112根据当前采集到的补偿参数，并根据预存的函数关系进行计算，得到对应的增益补偿量。
如图6所示，在其中一个实施例中，本实施例还提供了一种射频系统，包括如上所述的任意一种射频功率放大器2的输出稳定装置1、射频功率放大器2和射频线圈3，所述射频功率放大器2连接所述输出稳定装置1和所述射频线圈3，射频输入信号经所述输出稳定装置1补偿、以及射频功率放大器2放大后通过射频线圈3发出。通过在射频功率放大器2连接配置所述输出稳定装置1，使得射频功率放大器2在不同工况下都能够稳定输出。
在其中一个实施例中，本实施例还提供了一种磁共振系统，包括如上所述的射频系统。通过使用上述射频系统，可以较少磁共振系统成像出现伪影、畸变，保证画面质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述输出稳定装置(1)连接射频功率放大器，包括：增益补偿模块(11)和非线性校正模块(12)；
所述增益补偿模块(11)，根据补偿参数以及预设的补偿规则对射频输入信号进行补偿；
所述非线性校正模块(12)，用于对射频输入信号进行非线性校正。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述补偿规则为不同供电电压、不同结温、不同输出功率与对应的增益补偿量之间的映射关系。
3.根据权利要求2所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述映射关系为补偿参数与对应的增益补偿量之间的增益补偿表。
4.根据权利要求2所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述映射关系为通过数据拟合方式得到的补偿参数与对应的增益补偿量之间的函数关系。
5.根据权利要求1所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述增益补偿模块(11)还包括：信号采集模块(111)和补偿量获取模块(112)，所述信号采集模块(111)连接所述射频功率放大器(2)和所述补偿量获取模块(112)；
所述信号采集模块(111)，用于获取所述射频功率放大器(2)的补偿参数并输出至所述补偿量获取模块(112)；
所述补偿量获取模块(112)，用于基于所述射频功率放大器(2)的补偿参数及所述预设的补偿规则，得到射频功率放大器(2)的增益补偿量。
6.根据权利要求5所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述信号采集模块(111)包括：温度获取模块、供电电压获取模块和功率获取模块；
所述供电电压获取模块，用于采集所述射频功率放大器(2)的供电电压；
所述温度获取模块，用于获取所述射频功率放大器(2)的结温；
所述功率获取模块，用于获取所述射频功率放大器(2)的功率。
7.根据权利要求1所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述射频功率放大器(2)的结温为环境温度与功放结温温升之和。
8.根据权利要求7所述的射频功率放大器的输出稳定装置，其特征在于，所述功放结温温升基于所述射频功率放大器(2)的损耗功率和等效热阻计算得到。
9.一种射频系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的射频功率放大器(2)的输出稳定装置(1)、射频功率放大器(2)和射频线圈(3)，所述射频功率放大器(2)连接所述输出稳定装置(1)和所述射频线圈(3)，射频输入信号经所述输出稳定装置(1)补偿、以及射频功率放大器(2)放大后通过射频线圈(3)发出。
10.一种磁共振系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的射频系统。
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