DE102004031149A1

DE102004031149A1 - Magnetic resonance coil output signal distribution network has crossbar part networks connected through matching networks at inputs and outputs

Info

Publication number: DE102004031149A1
Application number: DE102004031149A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Huber; Georg Rauh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-09-01

Abstract

A magnetic resonance coil output signal distribution network has crossbar part networks (2, 4, 6) with inputs (E1-8) and outputs (A1-8) connected by GaAs switches to form equal loss and electrical length interconnections (3, 5) and using matching networks to prevent reflections.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verteilernetzwerk mit einer ersten Anzahl von Eingängen und einer zweiten Anzahl von Ausgängen, wobei das Verteilernetzwerk wenigstens zwei untereinander verbundene Teilnetze umfasst, wobei die Teilnetze eine Leitungsanordnung und steuerbare Schalter umfassen, mittels denen die Eingänge mit den Ausgängen verbunden werden können.The The present invention relates to a distribution network having a first Number of inputs and a second number of outputs, wherein the distribution network at least two interconnected Subnets, wherein the subnets a line arrangement and controllable switch, by means of which the inputs with the exits can be connected.

Bei der Übermittlung von elektrischen Signalen ist es häufig erforderlich, eine Vielzahl von Eingangssignalen weiterzuleiten. Beispielsweise ist zur Weiterleitung von mittels Empfangsspulen aufgenommenen Magnetresonanzsignalen an entsprechende Empfänger ein schaltbares Verteilernetzwerk erforderlich. Durch das Verteilernetzwerk lassen sich die verschiedenen Eingänge, mit denen die Empfangsspulen verbunden sind, an verschiedene Ausgänge, mit denen entsprechende Empfänger verbunden sind, variabel durchschalten. Die Anzahl der Eingänge ist dabei im Allgemeinen von der Anzahl der Ausgänge verschieden. Zur Sicherstellung einer ausreichend guten Signalqualität ist es im Allgemeinen erforderlich, dass die Dämpfung für die verschiedenen Schaltwege des Verteilernetzwerks nahezu identisch und vor allem gering ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Phasenverschiebung der verschiedenen Schaltwege nahezu identisch ist.at the transmission Of electrical signals, it is often required a variety forward of input signals. For example, for forwarding of received by means of receiving coils magnetic resonance signals to appropriate recipients a switchable distribution network is required. Through the distribution network let the different inputs, with which the receiver coils are connected to different outputs with which appropriate receiver are interconnected, variable switch through. The number of inputs is generally different from the number of outputs. To make sure a sufficiently good signal quality is generally required that damping for the different switching paths of the distribution network almost identical and above all, it is low. Furthermore it is advantageous if the phase shift of the different Shift travel is almost identical.

Bei tiefen Frequenzen und geringer Komplexität ist es üblich, sogenannte Kreuzschienenverteiler zur Übermittlung der Signale zu verwenden. Diese bestehen aus einer rechteckigen Matrixanordnung, in der jeder Eingang mit einem oder auch mehreren Ausgängen durch Schalter verbunden werden kann.at Low frequencies and low complexity, it is common, so-called crossbar distribution for transmission to use the signals. These consist of a rectangular Matrix arrangement in which each input with one or more outputs through Switch can be connected.

In der DE 197 09 244 C1 ist eine Schaltmatrix beschrieben, die eine erste Anzahl von Eingängen und eine zweite Anzahl von Ausgängen sowie steuerbare Schaltelemente und eine Leiteranordnung umfasst, die mit den Ein- und Ausgängen und den steuerbaren Schaltelementen verbunden ist. Die steuerbaren Schaltelemente sind mit der Leiteranordnung ausgebildet zum Schalten von elektrischen Verbindungen zwischen den Eingängen und den Ausgängen. Die Verbindungen weisen dabei gleiche elektrische Längen auf. Durch die beschriebene Anordnung lässt sich eine näherungsweise identische Phasenverschiebung und Dämpfung für die verschiedenen Schaltwege realisieren. Nachteilig an der beschriebenen Schaltmatrix ist insbesondere die bei großer Anzahl von Ein- und Ausgängen hochkomplexe Schaltungsanordnung.In the DE 197 09 244 C1 a switch matrix is described comprising a first number of inputs and a second number of outputs, controllable switching elements and a conductor arrangement connected to the inputs and outputs and the controllable switching elements. The controllable switching elements are formed with the conductor arrangement for switching electrical connections between the inputs and the outputs. The compounds have the same electrical lengths. By the described arrangement, an approximately identical phase shift and damping for the different switching paths can be realized. A disadvantage of the described switching matrix is in particular the highly complex in large numbers of inputs and outputs circuitry.

In Telekommunikationsnetzen ist es bekannt, Verteilernetzwerke in Teilnetzwerke zu untergliedern, um die Komplexität zu verringern. Die dort eingesetzten Netzwerke sind allerdings auf den Betrieb bei tiefen Frequenzen ausgelegt und weisen bei höheren Frequenzen einen starken Anstieg der Dämpfung auf, wodurch die Übertragung hochfrequenter Signale beeinträchtigt wird. Außerdem ist bei hohen Frequenzen der Unterschied in der Dämpfung zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand einer jeweiligen Verbindung, die so genannte Isolation, zu klein, so dass auch im ausgeschalteten Zustand elektrische Leistung über die jeweilige Verbindung abfließt.In Telecommunication networks, it is known distribution networks in subnetworks to break down the complexity. The used there However, networks are operating at low frequencies designed and pointed at higher frequencies a strong increase in attenuation, thereby the transmission high-frequency signals becomes. Furthermore At high frequencies, the difference in attenuation between switched on and off state of each connection, the like called isolation, too small, so even when turned off electrical power over the respective connection flows off.

Magnetresonanzgeräte besitzen abhängig von ihrem Grundmagnetfeld verschiedene Arbeitsfrequenzen in einem Bereich von 8 MHz bei 0,2 T bis 130 MHz bei 3 T. Mit bekannten Verteilernetzwerken lässt sich dieser Bereich nicht abdecken, so dass für jeden Typ von Magnetresonanzgerät ein spezielles Verteilernetzwerk angefertigt werden muss.Own magnetic resonance devices depending on Their basic magnetic field different operating frequencies in one area from 8 MHz at 0.2 T to 130 MHz at 3 T. Known distribution networks allow do not cover this area, so for each type of magnetic resonance device a special distribution network must be made.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verteilernetzwerk anzugeben, bei dem die Anzahl von Ein- und Ausgängen sehr groß werden kann und dennoch die Forderung nach identischer Dämpfung für die verschiedenen Schaltwege bei gleichzeitig großem Frequenzbereich erfüllt ist.The The object of the present invention is a distribution network specify that the number of inputs and outputs are very large can and still the demand for identical damping for the different Switching paths at the same time large Frequency range met is.

Diese Aufgabe wird durch ein Verteilernetzwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung von reflexionsfreien Teilnetzen ist eine nahezu identische Dämpfung über einen großen Frequenzbereich sichergestellt.These Task is through a distribution network with the features of the claim 1 solved. By the use of non-reflecting subnets is almost identical Damping over a wide frequency range ensured.

In einer vorteilhaften Ausführung sind sowohl die Eingänge, als auch die Ausgänge der Teilnetze mit Anpassungsnetzwerken verbunden, durch die die Impedanz des jeweiligen Schaltungsweges angepasst werden kann. Dadurch wird die Reflexionsfreiheit des jeweiligen Teilnetzes auf einfache Weise erreicht.In an advantageous embodiment are both the entrances, as well as the outputs the subnets are connected to matching networks, through which the impedance the respective circuit path can be adjusted. This will the freedom of reflection of the respective subnet in a simple way reached.

Zweckmäßig ist eine Zusammenschaltung der Teilnetze zu einem Clos-Netzwerk. Dadurch ergibt sich eine reduzierte Anzahl von Schaltknoten, was die Komplexität der Schaltung insgesamt verringert und somit die Herstellung erleichtert.Is appropriate an interconnection of subnets to a Clos network. Thereby This results in a reduced number of switching nodes, which reduces the complexity of the circuit reduced overall and thus facilitates the production.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die Verbindungen zwischen den Teilnetzen gleiches Dämpfungsverhalten auf. Dadurch wird die Dämpfung der unterschiedlichen Schaltungswege angeglichen. Dies kann beispielsweise bei unterschiedlich langen Verbindungen durch zusätzliche Widerstände in den Leitungen realisiert werden.In an advantageous embodiment invention, the connections between the subnets are the same damping behavior on. This will reduce the damping adapted to the different circuit paths. This can be, for example at different lengths connections by additional resistors in the Cables are realized.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die Verbindungen zwischen den Teilnetzen eine gleiche elektrische Länge auf. Dadurch ist die Phasenverschiebung der Signale bei der Übermittlung über die verschiedenen Schaltungswege gleich. Eine Möglichkeit zur Realisierung elektrisch gleicher Länge der Verbindungen ist, sie geometrisch gleich lang zu machen und aus demselben Material zu fertigen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the connections between the subnets have an equal electrical length. As a result, the phase shift of the signals in the transmission over the different circuit paths is the same. One way to realize electrically equal length of the compounds is to make them geometrically equal length and to produce the same material.

Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich anhand des nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren. Es zeigen:Further Advantages and designs The invention will become apparent from the embodiment discussed below in connection with the attached Characters. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines aus Teilnetzen aufgebauten Verteilernetzwerks und 1 a schematic representation of a built-up of subnet distribution network and

2 ein Teilnetzwerk mit Anpassungsnetzwerken. 2 a subnetwork with customization networks.

Die 1 zeigt ein Verteilernetzwerk mit 64 Eingängen und 32 Ausgängen. Es besteht aus acht Eingangsnetzen 2, von denen zur besseren Übersicht nur vier dargestellt sind. Jedes Eingangsnetz 2 ist als Kreuzschienenverteiler ausgeführt und umfasst jeweils acht Eingänge E1 bis E8 und acht Ausgänge A1 bis A8. Jeder Eingang E1 bis E8 ist mit jedem Ausgang A1 bis A8 verbindbar. Die Ausgänge A1 bis A8 der Eingangsnetze 2 sind mit acht, ebenfalls als Kreuzschienenverteiler ausgeführten Zwischennetzen 4, 4a und 4b verbunden, wobei die Teilnetze jeweils acht Eingänge E1 bis E8 und vier Ausgänge A1 bis A4 umfassen. Zur besseren Übersicht sind ebenfalls nur vier Zwischennetze 4, 4a und 4b dargestellt. Die Verbindungen 3 zwischen den Eingangsnetzen 2 und den Zwischennetzen 4, 4a und 4b sind derart ausgebildet, dass der jeweils erste Ausgang A1 der Eingangsnetze 2 mit den Eingängen E1 bis E8 des Zwischennetzes 4a verbunden ist. Weiterhin sind die jeweils zweiten Ausgänge A2 der Eingangsnetze 2 mit den Eingängen E1 bis E8 des Zwischennetzes 4b verbunden. Entsprechendes gilt für die Verbindungen 3 zwischen den weitern Eingangsnetzen 2 und den Zwischennetzen 4. Die Zwischennetze 4, 4a und 4b sind mit vier, ebenfalls als Kreuzschienenverteiler ausgeführten Ausgangsnetzen 6 und 6a verbunden, die jeweils acht Eingänge E1 bis E8 und acht Ausgänge A1 bis A8 umfassen. Zur besseren Übersicht sind nur zwei Ausgangsnetze 6 und 6a dargestellt. Die Verbindungen 5 zu den Zwischennetzen 4, 4a und 4b sind derart ausgebildet, dass der jeweils erste Ausgang A1 der Zwischennetze 4, 4a und 4b mit den Eingängen E1 bis E8 des Ausgangsnetzes 6a verbunden ist. Entsprechendes gilt für die weiteren Verbindungen 5 zwischen den Zwischennetzen 4 und 4b und den Ausgangsnetzen 6. Mit einem derart aufgebauten Verteilernetz lässt sich jeder Eingang E1 bis E8 der Eingangs netze 2 mit jedem Ausgang A1 bis A8 der Ausgangsnetze 6 und 6a verbinden, so dass Signale auf beliebigen Wegen von den insgesamt 64 Eingänge auf die 32 Ausgänge übertragen werden können.The 1 shows a distribution network with 64 Entrances and 32 Outputs. It consists of eight input networks 2 of which only four are shown for clarity. Every input network 2 is designed as a crossbar distributor and each comprises eight inputs E1 to E8 and eight outputs A1 to A8. Each input E1 to E8 can be connected to each output A1 to A8. The outputs A1 to A8 of the input networks 2 are with eight, also designed as crossbar distributors intermediate networks 4 . 4a and 4b The subnets each comprise eight inputs E1 to E8 and four outputs A1 to A4. For a better overview are also only four intermediate networks 4 . 4a and 4b shown. The connections 3 between the input networks 2 and the inter-nets 4 . 4a and 4b are formed such that the respective first output A1 of the input networks 2 with the inputs E1 to E8 of the intermediate network 4a connected is. Furthermore, the respective second outputs A2 of the input networks 2 with the inputs E1 to E8 of the intermediate network 4b connected. The same applies to the compounds 3 between the other input networks 2 and the inter-nets 4 , The intermediate nets 4 . 4a and 4b are with four, also designed as a crossbar distributor output networks 6 and 6a each comprising eight inputs E1 to E8 and eight outputs A1 to A8. For a better overview are only two output networks 6 and 6a shown. The connections 5 to the inter-nets 4 . 4a and 4b are formed such that the respective first output A1 of the intermediate networks 4 . 4a and 4b with the inputs E1 to E8 of the output network 6a connected is. The same applies to the other compounds 5 between the inter-nets 4 and 4b and the source networks 6 , With such a distribution network, each input E1 to E8 of the input networks can be 2 with each output A1 to A8 of the output networks 6 and 6a connect so that signals on any paths from the total 64 Entrances to the 32 Outputs can be transmitted.

Die Verbindungen 3 und 5 zwischen den Teilnetzen sind als Mikrostreifen- oder Triplateleitungen ausgeführt und sind geometrisch gleich lang. Dadurch wird eine elektrisch gleiche Länge sichergestellt, so dass die Phasenverschiebung des Signals auf allen Verbindungen gleich ist. Durch die reflexionsfreie Gestaltung der einzelnen Netze ergibt sich zusätzlich für jede Verbindung eines Eingangs E1 bis E8 mit einem Ausgang A1 bis A8 eine identische Dämpfung des Schaltwegs. Dies ist insbesondere auch für hohe Frequenzen der Fall.The connections 3 and 5 between the subnetworks are designed as microstrip or triplate lines and are geometrically the same length. This ensures an electrically equal length, so that the phase shift of the signal is the same on all connections. Due to the reflection-free design of the individual networks results in addition for each connection of an input E1 to E8 with an output A1 to A8 identical damping of the switching path. This is especially the case for high frequencies.

Ein Vorteil der gewählten Netzwerkstruktur ist der erheblich reduzierte Anfall von Schaltknoten gegenüber einem voll ausgebauten Kreuzschienenverteiler mit 64 Eingängen und 32 Ausgängen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden lediglich 1024 Schaltknoten benötigt. Bei dem voll ausgebauten Kreuzschienenverteiler würden jedoch 2048 Schaltknoten notwendig sein. Insofern ist die Komplexität des Verteilernetzwerks durch die Zerlegung in Teilnetze deutlich reduziert.An advantage of the selected network structure is the considerably reduced occurrence of switching nodes compared to a fully developed crossbar distributor with 64 Entrances and 32 Outputs. In the present embodiment, only 1024 switching nodes are needed. However, 2048 switching nodes would be necessary with the fully developed crossbar splitter. In this respect, the complexity of the distribution network is significantly reduced by the decomposition into subnetworks.

2 zeigt schematisch ein Teilnetz mit acht Eingängen E1 bis E8, sowie acht Ausgängen A1 bis A8. Jeder Eingang E1 bis E8 und jeder Ausgang A1 bis A8 ist mit einem Anpassungsnetzwerk 8 verbunden, durch das die jeweilige Leitung 10 zwischen den Eingängen E1 bis E8 und den Ausgängen A1 bis A8 reflexionsfrei ist. Jedes Anpassungsnetzwerk umfasst eine Induktivität 12 und einen Widerstand 14, wobei die Induktivität 12 mit der Leitung 10 in Serie und der Widerstand 14 der Leitung 10 parallel geschaltet ist. 2 schematically shows a subnet with eight inputs E1 to E8, and eight outputs A1 to A8. Each input E1 to E8 and each output A1 to A8 is connected to a matching network 8th connected, through which the respective line 10 between the inputs E1 to E8 and the outputs A1 to A8 is free of reflection. Each matching network includes an inductance 12 and a resistance 14 , where the inductance 12 with the line 10 in series and the resistor 14 the line 10 is connected in parallel.

Das Teilnetz selber ist dem Stand der Technik entsprechend ausgeführt, beispielsweise wie in der DE 197 09 244 C1 beschrieben ist. Zur Veranschaulichung sind einige Leitungen 10 zwischen den Eingängen E1 und E2 und den Ausgängen A1 und A2 gezeigt, entsprechende Leitungen 10 sind auch zwischen den übrigen Eingängen E3 bis E8 und den Ausgängen A3 bis A8 vorhanden. In der Nähe des jeweiligen Kreuzungspunkts 16 der Leitungen 10 sind diese über einen GaAs-Schalter 18 verbunden, die sich als steuerbare Schalter für Ströme hoher Frequenzen eignen. Alternativ lassen sich die Schaltelemente zwischen den Leitungen 10 auch mittels PIN-Dioden, SiGe, CMOS, BICMOS, MEMS oder vergleichbaren Technologien herstellen. Die in 2 gezeigte Struktur lässt sich auf beliebig anders dimensionierte Teilnetze, also mit anderen Anzahl von Eingängen und Ausgängen übertragen.The subnet itself is designed according to the state of the art, for example as in the DE 197 09 244 C1 is described. To illustrate are some lines 10 shown between the inputs E1 and E2 and the outputs A1 and A2, corresponding lines 10 are also present between the other inputs E3 to E8 and the outputs A3 to A8. Near the intersection point 16 the lines 10 these are via a GaAs switch 18 connected, which are suitable as controllable switch for high frequency currents. Alternatively, the switching elements between the lines 10 also by means of PIN diodes, SiGe, CMOS, BICMOS, MEMS or comparable technologies. In the 2 The structure shown can be transferred to subnets of any size, ie with different numbers of inputs and outputs.

Das hier beschriebene Verteilernetzwerk eignet sich zur Übertragung elektrischer Signale, wobei nahezu keine frequenzabhängigen Verluste auftreten. Es lässt sich insbesondere bei der Übertragung von Magnetresonanzsignalen während einer Magnetresonanzuntersuchung einsetzen. Ebenfalls ist ein Einsatz in der Hochleistungssendertechnik möglich, wobei dann die verwendeten Bauteile, also beispielsweise Schalter, gegen entsprechende, auf den erforderlichen Leistungsbereich optimierten Bauteile ausgetauscht werden müssen. Eine weiterer Anwendungsbereich liegt bei optischen Koppelfeldern, wobei die Bauteile gegen entsprechende optische Bauteile ersetzt werden.The distribution network described here is suitable for transmitting electrical signals, wherein almost no frequency-dependent losses occur. It can be used in particular in the transmission of magnetic resonance signals during a magnetic resonance examination. Also, use in the high-power transmitter technology is possible, in which case the components used, so for example switches, must be replaced by corresponding optimized to the required power range components. Another area of application is in optical coupling fields, wherein the components are replaced by corresponding optical components.

Claims

Distribution network having a first number of inputs (E1 to E8) and a second number of outputs (A1 to A8), the distribution network comprising at least two interconnected subnets, the subnets comprising a line arrangement and controllable switches by means of which the inputs (E1 to E8) can be connected to the outputs (A1 to A8), characterized in that the subnets are designed without reflection.

Distribution network according to Claim 1, characterized that the subnets as clos network are interconnected.

Distribution network according to claim 1 or 2, characterized in that both the inputs (E1 to E8) and the outputs (A1 to A8) of the subnetworks with matching networks ( 8th ) are connected.

Distribution network according to claim 1, 2 or 3, characterized characterized in that the number of outputs (A1 to A8) is less than the number of inputs (E1 to E8).

Distribution network according to one of the above claims, characterized characterized in that the subnets are designed as a crossbar distributor.

Distribution network according to one of the above claims, characterized in that connections ( 3 . 5 ) between the subnets with each other have an equal attenuation.

Distribution network according to one of the preceding claims, characterized in that the connections ( 3 . 5 ) have an electrically equal length between the subnets.

Distribution network according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable switches are designed as GaAs switches ( 18 ) are executed.