DE3940252A1 - Schaltungsanordnung fuer ein kernresonanzgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kernresonanzgerät mit einer Spulenanordnung, die über ein Reaktanznetzwerk mit einem Empfänger gekoppelt ist, und die an einen Hochfrequenzsender anschließbar ist, mit an das Reaktanznetzwerk angeschlossenen Schaltmitteln.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der EP-A 1 96 134 bekannt. Zweck derartiger Schaltungsanordnungen ist es, im Sendebetrieb die Leistung des Hochfrequenzsenders mög­ lichst ungedämpft zur Spulenanordnung und im Empfangs­ betrieb die in der Spulenanordnung induzierten Kernreso­ nanzsignale möglichst ungedämpft zum Empfänger zu über­ tragen. Ihr Einfluß auf die Abstimmung der Hochfrequenz­ spule soll vernachlässigbar klein sein. Außerdem muß eine solche Schaltungsanordnung auch bei den im Innern eines Kernresonanzgerätes herrschenden starken Magnetfeldern funktionsfähig sein, wenn der Empfänger bzw. ein Vorver­ stärker dieses Empfängers zwecks Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses in unmittelbarer Nähe der Hochfre­ quenzspulenanordnung angeordnet wird.

Bei der Schaltungsanordnung nach der EP-A 1 96 134 ist eine der Spulen einer Quadraturspulenanordnung mit dem Empfän­ ger über eine Lambda-Viertel-Leitung mit dem Empfänger verbunden, an dessen Eingang Schaltmittel in Form von antiparallelen Dioden vorgesehen sind. Im Sendebetrieb wirken diese Dioden als Kurzschluß, so daß die vom Sender erzeugten Spannungen den Empfänger bzw. dessen Eingangs­ stufe nicht zerstören können. Der Kurzschluß wird durch die Lambda-Viertel-Leitung hochtransformiert, so daß die Spule dadurch praktisch nicht belastet wird.

Die im Empfangsbetrieb in der Spule induzierten Kernreso­ nanzsignale haben eine Amplitude von maximal einigen mV. Diese Amplitude reicht zum Durchschalten der Dioden nicht aus, so daß sie im Empfangsbetrieb praktisch keinen Einfluß haben. Um zu verhindern, daß der Sender das empfangene Signal dämpft, ist zwischen dem Sender und der Spulenanordnung ein Schalter vorgesehen, der im Empfangs­ betrieb geöffnet und im Sendebetrieb geschlossen ist. Würde ein solcher Schalter mit Hilfe eines antiparallelen Diodenpaares realisiert, dann würde der Sender das empfan­ gene Kernresonanzsignal immer noch dämpfen, weil die relativ großen Diodenkapazitäten keine vollständige Entkopplung zwischen Sender und Spule gewährleisten würden.

Weiterhin ist aus der GB-A 20 91 884 eine Schaltungsanord­ nung für ein Kernresonanzgerät bekannt, bei der Sender und Empfänger über einen Richtkoppler mit der Spulenanordnung gekoppelt ist. Wenn ein solcher Richtkoppler mit Hilfe einer Reaktanzschaltung realisiert wird, gelingt es nicht, einerseits im Sendebetrieb die Senderleistung vollständig zur Spule zu übertragen und den Empfänger vom Sender zu entkoppeln und andererseits im Empfangsbetrieb das empfan­ gene Signal ungedämpft der Spulenanordnung zuzuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die erwähnten Forderungen möglichst gut erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Reaktanznetzwerk zwei gleichartige, in Kaskade geschaltete Richtkoppler umfaßt, daß an die voneinander entkoppelten Tore des einen Richtkopplers der Sender und die Spulenan­ ordnung und an die voneinander entkoppelten Tore des anderen Richtkopplers der Empfänger und eine Abschluß­ impedanz derart angeschlossen sind, daß auch der Sender und Empfänger voneinander entkoppelt sind und daß die Schaltmittel an die mit einem Tor des jeweils anderen Richtkopplers verbundenen Tore angeschlossen sind.

Die Erfindung basiert auf folgenden Überlegungen. Wird bei einem Richtkoppler an einem Tor ein elektrisches Signal eingespeist, dann erscheint dieses Signal an zwei anderen Toren des Richtkopplers mit verringerter Leistung. Das vierte Tor bleibt entkoppelt. Verbindet man die beiden Tore, an denen das Signal austritt, mit zwei Toren eines gleichartigen Richtkopplers, dann verhalten sich die beiden übrigen Tore dieses zweiten Richtkopplers wie die damit nicht verbundenen Tore des ersten Richtkopplers. Das heißt, daß nur an einem dieser Tore ein Signal auftritt, und zwar an demjenigen, an dem die definierte Impedanz angeschlossen ist.

Schließt man nun an die nicht mit dem zweiten Richtkoppler verbundenen Tore des ersten Richtkopplers den Hochfre­ quenzsender und die Spulenanordnung und an die entspre­ chenden Tore des anderen Richtkopplers den Empfänger und die definierte Impedanz, dann ist der Empfänger vom Hoch­ frequenzsender entkoppelt. Er kann also nicht durch die starken Signale des Hochfrequenzsenders zerstört werden. Wenn die Schaltmittel nicht wären, wäre auch die Spulenan­ ordnung vom Sender entkoppelt, so daß damit kein Hochfre­ quenzmagnetfeld erzeugt werden könnte. Die Schaltmittel schließen jedoch im Sendebetrieb die vom Hochfrequenz­ sender beaufschlagten Tore kurz und reflektieren die Hoch­ frequenzleistung zu dem Tor, an das die Hochfrequenz­ spulenanordnung angeschlossen ist. Im Empfangsbetrieb sind die Schaltmittel geöffnet. Die Hochfrequenzspulenanordnung ist dann mit dem Empfänger gekoppelt und "sieht" weder den Hochfrequenzsender noch die Impedanz.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Richtkopplers aus konzentrierten Schaltelementen und

Fig. 3 die Kaskadenschaltung zweier aus dem Richtkoppler nach Fig. 2 abgeleiteter Richtkoppler in Verbindung mit den Schaltmitteln.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Hochfrequenzsender bezeichnet, der Hochfrequenzimpulse mit der Larmorfrequenz der anzuregen­ den Atome erzeugen kann. Die Larmorfrequenz ist bekannt­ lich der Stärke des homogenen stationären Magnetfeldes proportional, dem der zu untersuchende Körper bei der Untersuchung ausgesetzt ist. Für Protonen beträgt die Larmorfrequenz bei einer Induktion von 1,5 Tesla beispielsweise 63,87 MHz. Der Maximalwert der Sendelei­ stung kann z. B. 5 kW betragen.

Die Hochfrequenzspulenanordnung ist mit 2 bezeichnet. Eine solche Spulenanordnung, die durch nicht näher dargestellte Kondensatoren auf die Larmorfrequenz abgestimmt ist, erzeugt im Sendebetrieb magnetische Hochfrequenzimpulse und nimmt im Empfangsbetrieb die im Untersuchungsbereich entstehenden Kernresonanzsignale auf.

Der Empfänger bzw. ein in einem solchen Empfänger enthal­ tener rauscharmer Vorverstärker, der die in der Spule 2 induzierten Signale verstärkt, ist mit 3 bezeichnet. Die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 3 ist reell und beträgt beispielsweise 50 Ohm - genauso wie die Ausgangs­ impedanz des Verstärkers 1 und die Impedanz der Spulenan­ ordnung 2. Schließlich ist noch ein reeller Abschlußwider­ stand von gleicher Größe (50 Ohm) vorgesehen.

Die vier Komponenten 1..4 sind an die Tore (engl.:ports) zweier in Kaskade geschalteter Richtkoppler 5 und 6 ange­ schlossen. Ein Richtkoppler ist bekanntlich eine Schaltung mit vier Toren, die die Eigenschaft hat, daß die einem Tor zugeführte Leistung auf zwei der drei anderen Tore aufge­ teilt wird, während das dritte Tor leistungslos bleibt und somit vom ersten Tor entkoppelt ist. Im vorliegenden Fall sind die Richtkoppler so ausgelegt, daß sich die Leistung gleichmäßig auf die Tore aufteilt. Derartige Richtkoppler sind auch als "3-dB-Richtkoppler", als "power-splitter" oder als "Quadraturhybride" bekannt. Derartige Richtkopp­ ler sind u. a. in den Zeitschriften NTZ (1961), Seite 567 ff, "MICROWAVES" Dez. 1976, Seiten 50 und 51 und "ELECTRONICS LETTERS", 30. Aug.1984, Vol. 20, Nr. 18, Seiten 725 ff beschrieben. Sie können aus konzentrierten Bauelementen (Spulen, Kondensatoren) aufgebaut sein, je­ doch auch aus Bauelementen mit verteilter Kapazität bzw. Induktivität. Im letzteren Fall sind die vier Tore im Ring über vier Lambda-Viertel-Leitungen miteinander verbunden, wobei die gegenüberliegenden Paare von Lambda-Viertel- Leitungen jeweils den gleichen charakteristischen Wider­ stand haben, der für das eine Leitungspaar um den Faktor 0,5^1/2 = 0,707 kleiner ist als für das andere Leitungs­ paar.

Die Lambda-Viertel-Leitungen können auch durch Schaltungen mit konzentrierten Reaktanzen (Spulen bzw. Kondensatoren) ersetzt werden, wenn diese Schaltungen die gleiche Funk­ tion haben wie eine Lambda-Viertel-Leitung. Diese Funk­ tionen sind

• a) die Transformation einer Impedanz Z2 am Ausgang der Schaltung in eine Impedanz Z1 am Eingang gemäß der Beziehung Z1 ^* Z2 = Z², wobei Z die charakteristische Impedanz der Schaltung ist. Der Eingangswiderstand ändert sich also umgekehrt proportional zum Ausgangswiderstand.
• b) Zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung besteht eine Phasenverschiebung von 90°.

Derartige Schaltungen können mit Reaktanzvierpolen reali­ siert werden, die die Struktur eines T-Gliedes, eines II-Gliedes oder einer Brückenschaltung haben und die eine Tiefpaß-Hochpaß- oder Bandpaßcharakteristik aufweisen. In Fig. 2 ist ein mit Hilfe derartiger Schaltungen aufgebau­ ter Richtkoppler dargestellt. Die Tore a und b sowie c und d sind über je ein Hochpaß-II-Glied L1-C1-L1 miteinander gekoppelt, während die Tore a und c bzw. b und d über je ein Tiefpaß-II-Glied C2, L2, C2 miteinander gekoppelt sind. Dabei muß die Beziehung gelten:

L1 ^* C1 = L2 ^* C2 = w².

Dabei ist w die Larmor-Kreisfrequenz (d. h., daß 6,28fache der Larmorfrequenz). Außerdem muß einer der Quotienten L1/C1 bzw. L2/C2 doppelt so groß sein wie der andere und gleich dem Quadrat der charakteristischen Impedanz Z. Gilt demnach beispielsweise
L1/C1 = 2 L2/C2 = Z²
dann sind die Tore a und b einerseits und die Tore c und d andererseits voneinander entkoppelt, d. h., ein Signal, das an Tor b eingespeist wird, teilt sich leistungsmäßig je zur Hälfte auf die Tore c und d auf, falls diese mit der charakteristischen Impedanz Z abgeschlossen sind; am Tor a erscheint dann kein Signal. Zwischen den Signalen an den Toren c und d besteht eine Phasenverschiebung von 90°.

Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist jedem der vier Tore eine Induktivität L1 und ein Kondensator C2 parallelgeschaltet. Die Impedanz dieser Parallelschaltung bei der Resonanzfre­ quenz beträgt 2,414 Z. Man kann diese Parallelschaltungen daher durch ein einziges Reaktanzelement ersetzen, das die gleiche Impedanz hat. Bei der oben angegebenen Beziehung zwischen L1, C1 einerseits und L2, C2 andererseits muß dieses Reaktanzelement ein Kondensator sein. Ersetzt man demgemäß bei dem Richtkoppler nach Fig. 2 die Reaktanzen L1, C2 durch einen Kondensator C und ordnet man den so gebildeten Richtkoppler in einer Schaltung gemäß Fig. 1 an, dann ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Schalt­ bild.

Wenn dabei Z = 50 Ohm gewählt ist und die Schaltung für 63,87 MHz ausgelegt ist (entsprechend einer magnetischen Flußdichte von 1,5 Tesla), dann müssen die Kapazitäten C 20,64 pF und C1 49,84 pF und die Induktivität L2 88,1 nH betragen (eine solche Induktivität läßt sich mit 1,75 Windungen eines 1,5 mm starken Leiters bei einem Innen­ durchmesser der Windung von 15,5 mm realisieren).

Wenn bei dieser Schaltung am Tor a ein Signal mit einer geringen Amplitude (einige mV) eingespeist wird, dann ergeben sich an den miteinander gekoppelten Toren des ersten und des zweiten Richtkopplers 5 bzw. 6 zwei um 90° versetzte Spannungen. Diese sind so gering, daß die an diese Tore angeschlossenen antiparallelen Diodenpaare D1, D2 bzw. D3, D4 nicht leitend werden. Die Dioden haben daher bei diesen Signalamplituden keinen Einfluß auf das Verhalten der Schaltung. Die beiden um 0 und 90° versetz­ ten Spannungen an den beiden Eingangstoren des Richtkopp­ lers 6 bewirken, daß am Tor d, aber nicht am Tor c ein Signal erscheint, das die gleiche Amplitude hat wie das Signal am Tor a - vorausgesetzt, die Tore sind mit Z=50 Ohm abgeschlossen. Das bedeutet also, daß das in der am Tor a des Richtkopplers 5 angeschlossenen Spulenanord­ nung induzierte Kernresonanzsignal zum Tor d übertragen wird und daß die Tore c und b davon entkoppelt sind.

Im Sendebetrieb entstehen an dem mit dem Hochfrequenz­ sender verbundenen Tor b sehr hohe Spannungen (bei einer Senderleistung von 5 kW beträgt der Effektivwert der Span­ nung am Tor b beispielsweise 500 V), die zur Folge haben, daß jedes der miteinander verbundenen Tore der Richtkopp­ ler 5 und 6 bei jeder Halbschwingung durch eine der Dioden D1..D4 kurzgeschlossen wird. Im Sendebetrieb sind die von den Toren a und b abgewandten Anschlüsse der Induktivitä­ ten L2 des Richtkopplers 5 also quasi mit Masse verbun­ den. Die den Toren a und b parallelgeschalteten Kondensa­ toren C, der diese Tore verbindende Kondensator C1 und die an diese Tore angeschlossenen Induktivitäten L2 bilden daher ein überkritisch gekoppeltes Bandfilter. Ein solches Bandfilter weist bekanntlich bei zwei verschiedenen Frequenzen ein Maximum des Übertragungsfaktors auf und einen reellen Eingangswiderstand. Eines dieser Maxima liegt bei der Larmorfrequenz (63,87 MHz) und der Eingangs­ widerstand entspricht dabei der Impedanz der Spulenanord­ nung 2, die ihrerseits der Ausgangsimpedanz des Hochfre­ quenzverstärkers 1 entspricht. Daher wird im Sendebetrieb die gesamte vom Hochfrequenzsender erzeugte elektrische Leistung zur Hochfrequenzspule 2 übertragen, die an das Tor a angeschlossen ist, das an sich - bei kleinen Signalen - völlig vom Tor b entkoppelt ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung wirkt also wie ein Umschalter, der die Spulenanordnung 2 am Tor a im Sendebe­ trieb mit dem Hochfrequenzsender am Tor b und im Empfangs­ betrieb mit dem Empfänger 3 am Tor d verbindet. Die Signaldämpfung ist in beiden Fällen sehr gering (im Empfangsfall weniger als 0,2 dB). Die Schaltung kann prak­ tisch verzögerungsfrei von Sendebetrieb auf Empfangsbe­ trieb der Spule umschalten, denn sobald die Signale des Senders am Tor b verschwinden, werden die Dioden nicht­ leitend, und die in der Spulenanordnung a induzierten (FID-)Kernresonanzsignale werden zum Vorverstärker bzw. Empfänger am Tor d übertragen. Die Schaltung kann auch bei noch höheren Sendeleistungen arbeiten, wenn die Kondensa­ toren C, C1 für entsprechend hohe Spannungen und die Induktivitäten L2 sowie die Dioden D1..D4 für entsprechend hohe Ströme ausgelegt werden; gegebenenfalls kann ein Tor dabei durch mehrere parallelgeschaltete Diodenpaare kurz­ geschlossen werden.

Wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, befinden sich die beiden Richtkoppler 5 und 6 in einem Abschirmgehäuse aus Metall. Dieses schirmt im Sendebetrieb die Umgebung vor den durch die Reaktanzen erzeugten elektromagnetischen Feldern ab und verhindert im Empfangsbetrieb die Beein­ flussung durch äußere Störfelder. Die Tore a..d werden dabei zweckmäßigerweise durch N-Typ-Buchsen nach außen geführt, die in Wandungen des Abschirmgehäuses 7 eingelassen sind.

Wie in Fig. 1 ebenfalls gestrichelt angedeutet, ist in dem Abschirmgehäuse 7 noch eine zusätzliche Trennwand 70 vor­ gesehen, die das Innere des Gehäuses in zwei Kammern 71 und 72 unterteilt. Dadurch wird vermieden, daß die im Sendebetrieb in den Induktivitäten L2 des in der Kammer 71 befindlichen Richtkopplers 5 erzeugten Magnetfelder auf die Induktivitäten L2 des in der Kammer 72 befindlichen Richtkopplers 6 einwirken und sich auf diese Weise eine zusätzliche Kopplung zwischen den beiden Richtkopplern 5 und 6 ergibt.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung für Kernresonanzgerät mit einer Spulenanordnung, die über ein Reaktanznetzwerk mit einem Empfänger gekoppelt ist, und die an einen Hochfrequenz­ sender anschließbar ist, mit an das Reaktanznetzwerk ange­ schlossenen Schaltmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanznetzwerk zwei gleichartige, in Kaskade geschaltete Richtkoppler (5, 6) umfaßt, daß an die voneinander entkoppelten Tore (a, b) des einen Richtkopplers (5) der Sender und die Spulenanordnung und an die voneinander entkoppelten Tore (c, d) des anderen Richtkopplers (6) der Empfänger (3) und eine Abschlußimpe­ danz (4) derart angeschlossen sind, daß auch der Sender (1) und Empfänger (3) voneinander entkoppelt sind, und daß die Schaltmittel (D1..D4) an die mit je einem Tor des jeweils anderen Richtkopplers verbundenen Tore angeschlossen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtkoppler (5, 6) so bemessen sind, daß die an einem der Tore eingespeiste Leistung je zur Hälfte auf zwei der drei anderen Tore dieses Richtkopplers aufgeteilt wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Richt­ kopplern Abschirmmittel (70) vorgesehen sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltmittel antiparallel geschaltete Diodenpaare (D1, D2; D3, D4) dienen.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander entkoppelten Tore (a, b bzw. c, d) jedes Richtkopplers (5, 6) über einen ersten Kondensator (C1) miteinander verbunden sind, daß jedem der Tore ein zweiter Kondensator (C) parallelge­ schaltet ist, daß die Kapazität des ersten Kondensators zumindest näherungsweise 2,414 mal so groß ist wie die Kapazität des zweiten Kondensators (C) und daß die kapazi­ tiv nicht gekoppelten Tore (a, c bzw. b, d) paarweise über eine Induktivität miteinander verbunden sind, deren Impedanz bei der Larmorfrequenz um den Faktor 1,414 kleiner ist als die entsprechende Impedanz des ersten Kondensators (C1).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußimpedanz, die Spulenanordnung, der Hochfrequenzsender und der Empfänger die Kaskadenschaltung jeweils mit der gleichen reellen Impedanz beaufschlagen und daß die Impedanz des ersten Kondensators (C1) bei der Larmorfrequenz den gleichen Betrag hat wie diese Impedanz (Z).