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Die Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkereinheit für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Leistungsverstärkermodule, eine Sendeeinheit sowie eine Magnetresonanzeinrichtung mit einer solchen Leistungsverstärkereinheit.
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Magnetresonanzeinrichtungen sind vor allem für klinische Anwendungen inzwischen gängig und wohlbekannt. Dabei werden in der Magnetresonanzeinrichtung über eine Sendeantenne ausgerichtete Kernspins eines Untersuchungsobjekts angeregt und mittels einer Empfangsspule die Bilddaten aufgenommen. Zum Betrieb der Sendeantenne werden hohe Leistungen benötigt, die von einer Leistungsverstärkereinheit, die häufig in einer Sendeeinheit der Magnetresonanzeinrichtung verbaut ist, zur Verfügung gestellt werden.
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Hierzu umfassen derartige Leistungsverstärkereinheiten üblicherweise verschiedene Leistungsmodule, beispielsweise vier Leistungsmodule, die eine Ausgangsleistung von 5–8 kW erzeugen können, so dass in Kombination eine Leistung von beispielsweise 30 kW erhalten werden kann. Während zur Erzeugung der hohen Leistungen symmetrische Signale verwendet werden, ist zur Ansteuerung der Sendeantenne ein asymmetrisches Signal erforderlich, so dass die von den Leistungsverstärkermodulen erzeugten Signale mittels eines Baluns (Symmetriegliedes) asymmetrisiert werden müssen.
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Bekannt sind daher Leistungsverstärkereinheiten, bei denen letztlich jedes Leistungsverstärkermodul getrennt betrieben wird, wonach die asymmetrischen Ausgangssignale der einzelnen Leistungsverstärkermodule miteinander kombiniert werden, um schließlich das gewünschte Ausgangssignal der Leistungsverstärkereinheit zu erhalten. Die Signale zwischen den als einzelne Vorrichtungen realisierten Leistungsverstärkereinheiten werden dabei häufig mit Hilfe von Koaxialkabeln transportiert. Hieraus ergibt sich der hauptsächliche Nachteil, dass die Hochleistungsverstärkereinheiten bzw. ihre Leistungsverstärkermodule einen großen Raum einnehmen, was letztlich aber unerwünscht ist. Zudem ist eine kompakte Bauweise mit den bekannten Leistungsverstärkereinheiten nicht möglich.
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US 4 916 410 A betrifft einen Hybrid-Balun zum Splitten bzw. Kombinieren von Hochfrequenzleistung. Dabei wird vorgeschlagen, den Hybriden und den Balun in einem einzigen Abschnitt zu realisieren, wobei günstiges Koaxialkabel verwendet werden soll. Der Hybrid-Balun kann im Rahmen eines Hochfrequenzverstärkers eingesetzt werden.
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DE 698 21 069 T2 betrifft eine Leistungsteilungs-/-addierschaltung, einen Hochleistungsverstärker und eine Symmetrierschaltung. Dabei wird für einen Hochleistungsverstärker ein Balun vorgeschlagen, der auf einer dielektrischen Vielschichtplatine gebildet ist. Wird zusätzlich zu dem Hochleistungsverstärker ein Vierfach-Leistungsteiler verwendet, können dieser und der Balun verwendet werden, um einen Hochleistungsverstärker auf derselben dielektrischen Vielschichtplatine zu bilden. Die offenbarten Hochleistungsverstärker sollen in Basisstationen der digitalen Mobilkommunikation eingesetzt werden.
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US 2004/0 075 435 A1 betrifft einen integrierten Quadratur-Splitter-Kombinierer und einen Balun. Diese sollen in einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet werden. Es wird vorgeschlagen, zwei Kondensatoren und ein Balun zu dem Hochfrequenz-Splitter-Combiner zu kombinieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsverstärkereinheit anzugeben, die möglichst kleinbauend und kompakt sowie mit möglichst wenig Teilen realisiert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Leistungsverstärkereinheit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die symmetrischen Ausgangssignale der Leistungsverstärkermodule einem gemeinsamen, in Baueinheit mit den Leistungsverstärkermodulen realisierten, auf einer Leiterplatte vorgesehenen Balun zugeführt werden, welcher zur Asymmetrisierung des Summensignals ausgebildet ist, wobei die symmetrischen Ausgangssignale der Leistungsverstärkermodule einem gemeinsamen, in Baueinheit mit den Leistungsverstärkermodulen realisierten, auf einer Leiterplatte vorgesehenen Balun zugeführt werden, welcher zur Asymmetrisierung des Summensignals ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt also mehrere Schritte vor, die in ihrer Gesamtheit zu einer wesentlichen Miniaturisierung des Aufbaus einer Leistungsverstärkereinheit führen. So wird zentral vorgeschlagen, Leistungsverstärkermodule zu verwenden, die noch ein symmetrisches Ausgangssignal aufweisen, das bedeutet, es ist nicht jedem Leistungsverstärkermodul ein eigener Balun zugeordnet. Die einzelnen Leistungsverstärkermodule, von denen beispielsweise vier Stück vorhanden sein können, werden parallel verbunden, so dass ihre Signale kombiniert einem gemeinsamen Balun (Symmetrieglied) zugeführt werden können, der zur Asymmetrisierung des Summensignals ausgebildet ist und folglich das gewünschte Ausgangssignal der Leistungsverstärkereinheit liefert.
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Dabei wird der Balun auf einer Leiterplatte realisiert („printed balun”), so dass er äußerst platzsparend hergestellt werden kann und mithin erstmalig in einer gemeinsamen Baueinheit mit den Leistungsverstärkermodulen angeordnet werden kann. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann sogar vorgesehen sein, dass die Leistungsverstärkermodule auf derselben Leiterplatte wie der Balun realisiert sind. Das bedeutet also, dass die Leistungsverstärkereinheit eine einzige Leiterplatte umfasst, auf der die entsprechenden Bauelemente und Leiterbahnen für die Leistungsverstärkermodule genauso angeordnet sind wie des Balun bzw. der entsprechenden Verbindungsleitungen. Auf diese Weise ist eine äußerst kompakte, komponentenarme, flache und somit auch kostengünstig herstellbare Leistungsverstärkereinheit realisierbar.
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Bevorzugt kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Balun zwischen wenigstens zwei Leistungsverstärkermodulen angeordnet ist. Es kann also der Zwischenraum zwischen den einzelnen Leistungsverstärkermodulen bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft genutzt werden, um den kompakt auf einer Leiterplatte realisierten Balun unterzubringen und damit weiter zur Platzreduzierung und zur kompakten Ausgestaltung der Leistungsverstärkereinheit beizutragen. Beispielsweise kann bei einer gemeinsamen Leiterplatte ein zur Beabstandung der einzelnen Leistungsverstärkermodule dienender Zwischenraum genutzt werden, um dort die Bauelemente und Leiterbahnen des Balun zu realisieren.
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Mit besonderem Vorteil ist vorgesehen, dass zum Signaltransport zwischen den Leistungsverstärkermodulen und dem Balun und/oder innerhalb des Baluns eine gedruckte Koaxialstruktur in der Leiterplatte vorgesehen ist. Es sind also bei der vorliegenden Erfindung keine Koaxialkabel mehr notwendig, die teuer und aufwendig zu realisieren sind, sondern es werden als Leiterbahnen zum Transport der Hochleistungssignale gedruckte Koaxialstrukturen in der Leiterplatte verwendet, bei denen in verschiedenen Schichten der Leiterplatte die verschiedenen Leiter der Koaxialstruktur vorgesehen sind. Auch dies trägt weiter zur kompakten, miniaturisierten und kostengünstigen Realisierung der Leistungsverstärkereinheit bei.
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Insbesondere bei solchen Koaxialstrukturen ist es bekannt, die Rückseite der Leiterplatte mit einer dickeren Rückseitenlage, beispielsweise aus Kupfer, zu versehen, die beispielsweise dicker als 1 mm, insbesondere 3 oder 4 mm dick, ist. Diese dickere Rückseitenlage der Leiterplatte kann genutzt werden, um der Führung von elektrischen und magnetischen Feldern dienende Strukturen zu integrieren. Gerade im Bereich solcher Koaxialstrukturen ist es sinnvoll, unterhalb der Koaxialstrukturen Kavitäten, also Aussparungen, in der Rückseitenlage vorzusehen, die der Feldführung dienen. Auf der anderen Seite ist jedoch zu beachten, dass durch die hier vorgeschlagene Miniaturisierung die hohen Leistungen in deutlich kleineren Strukturen geführt werden. Insbesondere für den Balun bedeutet das, dass höhere Abwärmemengen auf kleinem Raum entstehen, die ein verbessertes Kühlungskonzept wünschenswert erscheinen lassen. Dieser Kühlung sind die luftgefüllten Kavitäten jedoch eher abträglich, da Luft – insbesondere stehende Luft – ein eher schlechter Wärmeleiter ist.
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Folglich ist erfindungsgemäß mit besonderem Vorteil vorgesehen, dass unterhalb der Koaxialstruktur wenigstens teilweise eine der Feldführung dienende Kavität in einer Rückseitenlage der Leiterplatte vorgesehen ist, welche Kavität wenigstens teilweise, insbesondere wenigstens im Bereich des Balun, vollständig mit einem Wärme leitenden, die elektromagnetischen Felder nicht beeinflussenden Material gefüllt ist.
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Es wird also vorgeschlagen, die Kavität wenigstens im Bereich des Balun vollständig mit einem eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweisenden Material aufzufüllen, um im Hinblick auf die Ableitung von entsprechender Verlustwärme eine bessere Ankopplung an die übrige, meist aus Kupfer bestehende Rückseitenlage zu erreichen. Da die Kavität in den befüllten Bereichen vollständig aufgefüllt ist, kontaktiert das Wärme leitende Material mithin unmittelbar die Leiterplatte bzw. die entsprechende Koaxialstruktur oder das sonstige Bauelement. Das Material wird dabei so gewählt, dass es die elektromagnetischen Felder nicht stört, mithin die Feldführungseigenschaften der Kavitäten erhalten bleiben. Vorzugsweise ist das Material also ein Isolator.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Material eine Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, ist. Als besonders geeignet hat sich hierbei ein Silikonöl erwiesen. Die Flüssigkeit kann vorteilhafterweise, nachdem die Leiterplatte fertig gedruckt und bestückt ist, noch in die Kavitäten eingebracht werden. Hierzu kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass insbesondere leiterplattenseitig wenigstens eine in die Kavität mündende Einfüllöffnung für die Flüssigkeit vorgesehen ist.
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Daneben ist es jedoch auch denkbar, dass das Material ein bei der Pressung der Leiterplatte mitverpresster Feststoff ist. Ein bei der Pressung der Leiterplatte schon einzubringender Feststoff ist gegenüber einer Flüssigkeit beispielsweise von Vorteil, wenn das Langzeitverhalten der Flüssigkeit aufgrund der Belastung durch die Temperatur und die elektromagnetischen Felder schlecht einschätzbar ist. An einen derartigen Feststoff muss jedoch neben einer Wärmeleitfähigkeit, die idealerweise deutlich höher als die von Luft ist, und einer Neutralität gegenüber elektromagnetischen Feldern als weitere Eigenschaft gefordert werden, dass er sehr temperaturbeständig ist, da beim Pressvorgang der Leiterplatte hohe Temperaturen auftreten können. Zudem sollte das Material silikonfrei sein. Als ein besonders geeignetes Material haben sich beispielsweise thermisch leitfähige Lückenfüllermaterialen auf Polymerbasis erwiesen, die beispielsweise glasfaserverstärkt sein können. Beispiele für solche Lückenfüllen werden unter dem Markennamen „Gap Pad 2200SF” (Glasfaser verstärktes Polymer) von The Bergquist Company, Chanhassen, USA, vertrieben.
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Allgemein kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Ausgangsleistung eines Leistungsverstärkermoduls 3–10 kW, insbesondere 5–8 kW, beträgt. Daraus ergibt sich bei der Verwendung von vier Leistungsverstärkermodulen beispielsweise eine Gesamtleistung im Bereich von 30 kW, beispielsweise zwischen 28 und 32 kW. Das entsprechende Signal kann in asymmetrischer Form an einem Ausgang des Balun an entsprechenden Anschlüssen abgegriffen werden.
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Neben der Leistungsverstärkereinheit betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Sendeeinheit für eine Magnetresonanzeinrichtung, die eine erfindungsgemäße Leistungsverstärkereinheit umfasst. Solche Sendeeinheiten sind meist in einem Gehäuse vorgesehen und umfassen alle für den Sendebetrieb der Magnetresonanzeinrichtung vorgesehenen elektronischen Komponenten und Bauteile, beispielsweise auch entsprechende Komponenten, die Signale der Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung in entsprechende Betriebsparameter der Leistungsverstärkereinheit umsetzen. Sämtliche Ausführungen bezüglich der Leistungsverstärkereinheit lassen sich auf die erfindungsgemäße Sendeeinheit übertragen, welche mithin ebenso baulich kleiner realisiert werden kann.
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Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend eine erfindungsgemäße Leistungsverstärkereinheit, insbesondere also auch eine erfindungsgemäße Sendeeinheit mit einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinheit. In einer solchen Magnetresonanzeinrichtung ist der Platzbedarf für die Leistungsverstärkereinheit stark reduziert und es lassen sich sämtliche dargelegten Merkmale und Vorteile der Leistungsverstärkereinheit auch analog auf die erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung übertragen. Die Sendeeinheit kann bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung beispielsweise außen an einem Hauptmagneten angeordnet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinheit,
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2 ein Blockdiagramm zur prinzipiellen Verschaltung in einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinheit,
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3 einen Querschnitt durch eine Leiterplatte im Bereich einer Koaxialstruktur, und
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4 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinheit 1. Sie umfasst eine Leiterplatte 2, auf der vier hier nicht näher dargestellte Leistungsverstärkermodule 3 angeordnet sind. Solche Leistungsverstärkermodule, die verschiedene Bauelemente, beispielsweise Transistoren, und Leiterbahnen umfassen, sind grundsätzlich bekannt, so dass deren innere Struktur hier nicht näher dargelegt werden soll. An den Ausgängen 4 der Leistungsverstärkermodule 3 liegt ein symmetrisches verstärktes Signal an, beispielsweise ein Hochleistungssignal im Leistungsbereich zwischen 5 und 8 kW.
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Diese symmetrischen Signale werden nun über verschiedene als Koaxialstrukturen 5 realisierte Leiterbahnen 6 zusammen an den Eingang eines Balun 7 (häufig auch als Symmetrierglied bezeichnet) geführt. Das bedeutet, die Leistungsverstärkermodule 3 sind letztlich parallel an den Eingang eines gemeinsamen Balun 7 geschaltet. Dieser Balun 7, der ebenso auf der Leiterplatte 2 realisiert ist und zwischen den beiden in 1 unteren Leistungsverstärkermodulen 3 angeordnet ist, ist nun zur Umwandlung des symmetrischen Summen-Eingangssignals in ein asymmetrisches Ausgangssignal im Bereich von etwa 30 kW ausgebildet, welches an entsprechenden Anschlüssen 8 abgegriffen werden kann.
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Auch die Realisierung eines Balun 7 auf einer Leiterplatte 2 ist grundsätzlich bekannt, so dass auf die innere Struktur des Balun 7 hier nicht näher eingegangen werden soll. Jedoch sind auch innerhalb des Balun als Koaxialstrukturen 5 realisierte Leiterbahnen 6 vorgesehen.
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Ein prinzipielles Blockdiagramm des Balun 7 zeigt 2, in der die eingehenden Leiterbahnen 6 nur angedeutet sind. Deutlicher dargestellt ist eine innerhalb des Balun 7 vorgesehene Koaxialstruktur 5, die in 3, die einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2 durch die Leiterplatte 2 zeigt, näher dargestellt ist. Weitere in 2 gezeigte Bauelemente des Balun 7, beispielsweise die Induktivität 9 oder die Kapazitäten 10 können wie bekannt realisiert werden, wobei selbstverständlich auch weitere Leiterbahnen als Koaxialstruktur 5 realisiert werden können. Die Masseverbindung 11 kann dabei über die aus Kupfer bestehende Rückseitenlage 12 der Leiterplatte 2 (vgl. 3) realisiert werden.
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Wie dem Querschnitt in 3 zu entnehmen ist, ist die Leiterplatte 2 aus mehreren Schichten aufgebaut, wobei zur Realisierung der Koaxialstruktur 5 eine äußere Schichtstruktur 13 eine innere Schichtstruktur 14 umgibt.
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Um eine korrekte und im Umfeld der Magnetresonanzeinrichtung störungsfreie Führung der entstehenden elektromagnetischen (Hochfrequenz-)Felder zu ermöglichen, ist unterhalb der Koaxialstruktur 5 in der beispielsweise 4 mm dicken Rückseitenlage 12 eine der Feldführung dienende Kavität 15 vorgesehen, die beispielsweise 3 mm tief sein kann. Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass derartige Kavitäten selbstverständlich auch unter anderen Bauelementen, mit denen die Leiterplatte 2 bestückt ist, vorgesehen werden können, wenn die Feldführung dies verlangt.
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Bei der erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinheit 1 sind die Kavitäten 15 jedoch nicht mit Luft gefüllt, sondern enthalten ein Material 16, im vorliegenden Falle ein flüssiges Silikonöl, welches über verschiedene Einlassöffnungen auf der Oberseite der Leiterplatte 2, von denen lediglich zwei beispielhaft in 1 bei 22 angedeutet sind, in die Kavitäten 15 eingebracht werden kann. Ersichtlich ist die Kavität 15 vollständig gefüllt.
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Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass die Kavitäten 15 auch mit einem Feststoff als Material gefüllt sein können, welcher bereits beim Pressen der Leiterplatte 2 (und der Rückseitenlage 12) eingebracht werden kann. Ein geeignetes Material in diesem Fall ist ein thermisch leitfähiges, elektrisch neutrales und silikonfreies Lückenfüllermaterial auf Polymer-Basis.
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Der Zweck des Materials 16 ist es, die beim Transport großer Leistungen auf kleinem Raum stärker auf kleineren Flächen anfallenden Wärmeverlustleistungen besser abführen zu können weshalb das Material 16 generell eine größere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist. Auf diese Weise kann die Wärme schnell und einfach in die Rückseitenlage 12 abgeführt werden, welche gegebenenfalls mit anderen Kühleinrichtungen gekoppelt ist oder an ein Kühlmedium, beispielsweise Luft, angrenzt. Zudem ist das Material 16 so gewählt, dass es die Feldführungseigenschaften der Kavität 15 nicht oder zumindest nur wenig einschränkt, das bedeutet, es verhält sich im Wesentlichen neutral gegenüber elektromagnetischen Feldern. Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich das Material 16 auch benachbart zu weiteren elektronischen, Abwärme erzeugenden Bauelementen, bei denen eine Kavität 15 vorgesehen ist, angeordnet sein kann.
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Auf diese Weise wird eine verbesserte Kühlung erreicht, die bei sehr hohen Leistungen erst eine vorteilhafte Realisierung der hier insgesamt beschriebenen kompakten Bauform ermöglicht.
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4 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 17. Sie weist in bekannter Art und Weise unter anderem einen die Spulen zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes umfassende Hauptmagneteinheit 18 mit einer Patientenaufnahme 19 auf. Außen an der Hauptmagneteinheit 18 ist ersichtlich eine Sendeeinheit 20 mit einem Gehäuse 21 angeordnet, die die erfindungsgemäße Leistungsverstärkereinheit 1 enthält und folglich besonders kleinbauend realisiert werden kann.
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Weitere Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung 17 sind im Stand der Technik weitgehend bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungsverstärkereinheit
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Leistungsverstärkermodul
- 4
- Ausgang
- 5
- Koaxialstruktur
- 6
- Leiterbahn
- 7
- Balun
- 8
- Anschluss
- 9
- Induktivität
- 10
- Kapazität
- 11
- Masseverbindung
- 12
- Rückseitenlage
- 13
- äußere Schichtstruktur
- 14
- innere Schichtstruktur
- 15
- Kavität
- 16
- Material
- 17
- Magnetresonanzeinrichtung
- 18
- Hauptmagneteinheit
- 19
- Patientenaufnahme
- 20
- Sendeeinheit
- 21
- Gehäuse
- 22
- Einfüllöffnungen
