DE4422069C1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Hochfrequenz-Schaltdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteue­ rung einer Hochfrequenz-Schaltdiode mit einer Diode, die elektrisch antiparallel zu der Hochfrequenz-Schaltdiode an­ geordnet ist, wodurch aus einem von der Hochfrequenz-Schalt­ diode zu schaltenden Hochfrequenzstrom ein Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode erzeugbar ist.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US 5 230 090 bekannt. Dort ist für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät eine Sende-Empfangsweiche mit PIN-Dioden als Hochfrequenz-Schaltdioden beschrieben. Die Hochfrequenz- Schaltdioden sind in einem mit dem Sender verbundenen Zweig angeordnet und sollen ein von dem Sender erzeugtes Sende­ signal zu einer Antenne leiten. Das zum Einschalten der Hoch­ frequenz-Schaltdioden benötigte Steuersignal wird aus dem Sendesignal gewonnen. Dazu sind antiparallel zu den Hoch­ frequenz-Schaltdioden "normale" Dioden angeordnet, die für die Hochfrequenz-Schaltdioden die Steuersignale liefern. Je­ doch kann durch die antiparallel geschaltete Diode die Sperr­ spannung für die Hochfrequenz-Schaltdiode nicht höher als die Durchlaßspannung der Diode in der Größenordnung von 0,6 V sein.

Hochfrequenz-Schaltdioden werden in diagnostischen Magnetre­ sonanzgeräten auch zur Verstimmung von Lokalantennen einge­ setzt. Eine Schaltung zur Verstimmung einer Lokalantenne mit einer als Hochfrequenz-Schaltdiode verwendeten PIN-Diode ist aus der US 5 317 266 bekannt. Dort ist in einer zur Lokal­ antenne gehörenden Leiteranordnung ein Hochfrequenzschalter eingefügt, der in geöffnetem Zustand die Lokalantenne ver­ stimmt. Der Hochfrequenzschalter selbst besteht aus einem λ/4-Transformationsglied, das mit seinem ersten Tor mit der Leiteranordnung verbunden ist. Das zweite Tor des λ/4-Trans­ formationsglieds ist mit der Hochfrequenz-Schaltdiode abge­ schlossen. Das λ/4-Transformationsglied transformiert einen durch die leitend gesteuerte Hochfrequenz-Schaltdiode erzeug­ ten Kurzschluß am zweiten Tor in einen Leerlauf am ersten Tor. Umgekehrt erzeugt der Sperrzustand der Hochfrequenz- Schaltdiode einen Kurzschluß am ersten Tor.

Die Steuersignale werden der Hochfrequenz-Schaltdiode dort über Hochfrequenz-Sperrdrosseln zugeführt. Würde die aus der US 5 230 090 bekannte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung auch bei der aus der US 5 317 266 bekannten Lokalantenne ein­ gesetzt, könnte die für den Empfangsfall benötigte Sperrspan­ nung nicht größer als die Durchlaßspannung der antiparallelen Diode von ca. 0,6 Volt werden. Dadurch würde die Hochfre­ quenz-Schaltdiode im Empfangsfall einen großen Signalverlust verursachen.

In den Patent Abstracts of Japan E-1273, October 2, 1992, Vol. 16, No. 475, betreffend JP-A-4-170 221, ist eine Dioden­ schaltung angegeben, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei Schaltdioden sicherstellt. Die Diodenschaltung besteht aus einer antiparallel zur Schaltdiode angeordneten Diode mit ei­ nem dazu in Reihe geschalteten Kondensator, dem ein Wider­ stand parallel geschaltet ist. Durch eine geeignete Wahl des Kapazitätswerts, wird erreicht, daß die Sperrspannung an der Schaltdiode auch bei auftretenden Spannungsspitzen annähernd konstant bleibt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungsanordnung so weiterzubilden, daß eine höhere Sperrspannung als die Durchlaßspannung der antiparal­ lelen Diode an die Hochfrequenz-Schaltdiode angelegt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß elektrisch in Reihe zu der Diode ein kapazitives Element angeordnet ist, daß das ka­ pazitive Element mit einem über einen Steuereingang elek­ trisch steuerbaren Schalter überbrückt ist und daß eine Steu­ ereinheit mit dem Steuereingang verbunden ist, welche Steuer­ einheit ein Einschaltsignal an den steuerbaren Schalter ab­ gibt, wodurch die Diode ein Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode erzeugen kann. Damit kann direkt aus dem zu schaltenden Hochfrequenzstrom der Steuerstrom zum Ein­ schalten der Hochfrequenz-Schaltdiode erzeugt werden und trotzdem zum Erzeugen des Sperrzustandes der Hochfrequenz- Schaltdiode eine hohe Sperrspannung angelegt werden.

Das Einschaltsignal kann aus dem zu schaltenden Hochfrequenz­ strom erzeugt werden, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausge­ staltung elektrisch in Reihe zu der Hochfrequenz-Schaltdiode eine Transformationseinheit angeordnet ist, wobei die Steuer­ einheit eingangsseitig mit der Transformationseinheit ver­ bunden ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trans­ formationseinheit als Impedanzglied ausgebildet und die Steu­ ereinheit elektrisch parallel zum Impedanzglied angeordnet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß zwischen dem Impedanzglied und der Steuerein­ heit ein kapazitiver Spannungsteiler angeordnet ist. Damit kann das Impedanzglied unabhängig von der Höhe des benötigten Einschaltsignals dimensioniert werden, die notwendige Span­ nungshöhe wird nahezu verlustlos über den kapazitiven Span­ nungsteiler erzeugt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die Steuereinheit eine Gleichrichtereinheit, die aus dem Hoch­ frequenzsignal ein Gleichsignal erzeugt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ein­ schaltsignal ein Spannungssignal und der steuerbare Schalter als spannungsgesteuerter Schalter ausgebildet. Damit kann als steuerbarer Schalter ein nahezu verlustlos steuerbarer Feld­ effekt-Transistor eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung in einer Anordnung zum Verstimmen einer Hochfrequenzantenne eines Magnetresonanzgeräts einsetzen. Zur Hochfrequenzantenne gehört eine Leiteranordnung, wobei ein erstes Tor eines λ/4-Transformationsglieds in die Leiteran­ ordnung eingefügt und ein zweites Tor des λ/4-Transforma­ tionsglieds mit einer Hochfrequenz-Schaltdiode abgeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist elektrisch antiparallel zu der Hoch­ frequenz-Schaltdiode eine Diode angeordnet, wodurch aus einem von der Hochfrequenz-Schaltdiode zu schaltenden Hochfrequenz­ strom ein Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz- Schaltdiode erzeugbar ist. Weiter ist elektrisch in Reihe zu der Diode ein kapazitives Element angeordnet, das mit einem über einen Steuereingang elektrisch steuerbaren Schalter überbrückt ist, wobei eine Steuereinheit mit dem Steuerein­ gang verbunden ist, welche Steuereinheit ein Einschaltsignal an den steuerbaren Schalter abgibt, wodurch die Diode ein Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode er­ zeugen kann. Das in Reihe zur zusätzlichen Diode geschaltete kapazitive Element mit dem Überbrückungsschalter erlaubt es, hohe Sperrspannungen an die Hochfrequenz-Schaltdiode anzule­ gen.

Wird die Schaltungsanordnung zum Verstimmen einer Hochfre­ quenzantenne eines Magnetresonanzgeräts eingesetzt, ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, daß - auch wenn die Zuleitung der Hochfrequenzantenne nicht angeschlossen ist - die Lokal­ antenne automatisch verstimmt wird, wenn von der Haupt- oder Ganzkörperantenne ein Sendesignal gesendet wird. Die Lokalan­ tenne ist dadurch vor einer Zerstörung durch die leistungs­ starken Sendeimpulse geschützt, auch wenn sie nicht ange­ schlossen ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Verwendung der Anordnung zum Verstimmen in einer Hochfrequenzantenne ist die Transforma­ tionseinheit als Längszweig des λ/4-Transformationsglieds ausgeführt. Ohne Zusatzelemente kann damit in der Schaltungs­ anordnung zum Verstimmen ein Hochfrequenzsignal erzeugt wer­ den, welches zum Einschaltsignal verarbeitet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt eine Anordnung zum Verstimmen einer Hochfrequenzantenne in einem Magnetreso­ nanzgerät, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Hochfrequenz-Schaltdiode eingesetzt ist.

In der Figur ist eine Hochfrequenzantenne 2 mit einer ring­ förmigen Leiteranordnung 3 dargestellt, die in einem diagno­ stischen Magnetresonanzgerät als frei bewegliche Lokal- oder Oberflächenantenne zur Untersuchung von Teilbereichen einge­ setzt wird. Die Hochfrequenzantenne 2 wird hier ausschließ­ lich als Empfangsantenne der Magnetresonanzsignale einge­ setzt, als Sendeantenne kann eine hier nicht dargestellte Ganzkörperantenne verwendet werden. Die Empfangs- oder Hoch­ frequenzantenne 2 ist an ihren Anschlüssen 4 mit einer Anpaß­ schaltung 5 verbunden. Die Anpaßschaltung 5 paßt zum einen den Wellenwiderstand der Hochfrequenzantenne 2 an den Wellen­ widerstand einer Zuleitung 6 an. Zum anderen kann damit die Arbeits- oder Resonanzfrequenz der Hochfrequenz-Antenne 2 ab­ gestimmt werden. Die Zuleitung 6 wird mit ihrem anderen Ende z. B. über eine Steckverbindung mit einem Hochfrequenz-Vor­ verstärker verbunden (hier nicht dargestellt). Zusätzlich kann der Hochfrequenzantenne 2 über die Zuleitung 6 ein wei­ ter unten genauer beschriebenes Gleichspannungssignal zuge­ führt werden.

Gegenüberliegend angeordnet zu den elektrischen Anschlüssen 4 ist in die Hochfrequenzantenne 2 ein elektrisch steuerbarer Hochfrequenzschalter 8 eingefügt. Der Hochfrequenzschalter 8 umfaßt ein λ/4-Transformationsglied 10, das mit seinem ersten Tor 12 mit der Hochfrequenzantenne 2 verbunden ist. Ein zwei­ tes Tor 14 des λ/4-Transformationsglieds 10 ist mit einer als Hochfrequenz-Schaltdiode 16 eingesetzten PIN-Diode abge­ schlossen. Das λ/4-Transformationsglied 10 und die Hochfre­ quenz-Schaltdiode 16 bilden zusammen den Hochfrequenzschalter 8. Das λ/4-Transformationsglied 10 ist hier mit diskreten Bauelementen realisiert, wobei im Längszweig ein induktives Element und parallel zu den Toren jeweils ein kapazitives Element geschaltet ist.

Die Hochfrequenz-Schaltdiode 16 ist während des Sendevorgangs der Ganzkörperantenne mit einem Steuerstrom in einem leiten­ den Zustand gehalten, wobei der Steuerstrom aus den in der Leiteranordnung 3 beim Senden induzierten Signalen abgeleitet wird. Der Steuerstrom, der die Hochfrequenz-Schaltdiode 16 im leitenden Zustand hält, wird aus dem von der Hochfrequenz- Schaltdiode 16 zu schaltenden Hochfrequenzstrom erzeugt durch eine antiparallel zur Hochfrequenz-Schaltdiode angeordnete zusätzliche Diode 18, z. B. eine Diode des Typs BAV 99. Damit trotz der antiparallelen Diode 18 eine hohe Sperrspannung an die Hochfrequenz-Schaltdiode 16 gelegt werden kann, ist in Reihe zur Diode 18 ein kapazitives Element 20 - z. B. ein Kondensator mit einer Kapazität von 1 nF - angeordnet, das von einem elektrisch steuerbaren Schalter 22 überbrückt ist. Als Schalter 22 ist hier ein Feldeffekt-Transistor einge­ setzt, der so angesteuert ist, daß er im Fall, wenn die Hoch­ frequenz-Schaltdiode 16 leiten soll, ebenfalls in einem lei­ tenden Zustand ist und somit das kapazitive Element 20 kurz­ schließt.

Die leitende Hochfrequenz-Schaltdiode 16 bewirkt über das λ/4-Transformationsglied 10 am Tor 12 einen im Idealfall un­ endlich großen Anschlußwiderstand, der als Unterbrechung der Leiteranordnung 3 wirkt. Die Hochfrequenzantenne 2 ist somit verstimmt, trotzdem sind die im Sendefall darin induzierten Signale ausreichend hoch, um die Funktion der Schaltungsan­ ordnung sicherzustellen.

Durch eine über die Zuleitung 6 der Hochfrequenz-Schaltdiode 16 zuführbare Sperrspannung wird die Hochfrequenz-Schaltdiode 16 in den Sperrzustand überführt. Am Tor 12 ist dann im Idealfall ein Kurzschluß, so daß sich die Hochfrequenzantenne für die Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzgeräts in Resonanz befindet. Der Schalter 22 ist dann ebenfalls geöffnet, damit das kapazitive Element 20 wirksam werden kann.

Der Steuereingang 24 des Schalters 22 ist mit einer Steuer­ einheit 26 verbunden, die aus dem zu schaltenden Hochfre­ quenzstrom ein Einschaltsignal für den Schalter 22 erzeugt. Dazu ist eine Transformationseinheit 28 elektrisch in Reihe zu der Hochfrequenz-Schaltdiode 16 angeordnet. Die Trans­ formationseinheit 28 ist hier gebildet durch das als Impe­ danzglied wirkende induktive Element 30 im Längszweig des λ/4-Transformationsglieds 10. Der durch das induktive Element 30 fließende Hochfrequenzstrom erzeugt einen Spannungsabfall der über einen kapazitiven Spannungsteiler 32 als Hochfre­ quenzsignal der Steuereinheit 26 zugeführt wird.

Die Steuereinheit 26 umfaßt eine Gleichrichtereinheit 34, die aus dem Hochfrequenzsignal ein Gleichsignal erzeugt. Zur Gleichrichtereinheit 34 gehören wegen des vorgeschalteten kapazitiven Spannungsteilers 32 zwei Dioden 36, 38, wovon die erste Diode 36 die Kondensatoren im kapazitiven Spannungs­ teiler 32 periodisch entladen soll und die weitere Diode 38 das eigentliche Gleichsignal erzeugt. Eine Zenerdiode 40 hält das als Einschaltsignal für den Feldeffekt-Transistor 22 ver­ wendete Gleichsignal auf einen für den Schalter 22 geeigneten Spannungswert von z. B. 7 Volt. In Reihe zur Zenerdiode 40 ist eine weitere Diode 42 angeordnet, die verhindert, daß die relativ hohe Kapazität der Zehnerdiode 40 direkt am Steu­ ereingang 24 liegt. Ein ebenfalls parallel zum Steuereingang 24 angeordneter Widerstand 44 entlädt die Eingangskapazität des Feldeffekt-Transistors 22 und erlaubt damit ein schnelles Schalten.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Hochfrequenz­ schaltdiode (16) mit einer Diode (18), die elektrisch anti­ parallel zu der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) angeordnet ist, wodurch aus einem von der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) zu schaltenden Hochfrequenzstrom ein Steuersignal zum Einschal­ ten der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) erzeugbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß elektrisch in Reihe zu der Diode (18) ein kapazitives Element (20) ange­ ordnet ist, daß das kapazitive Element (20) mit einem über einen Steuereingang (24) elektrisch steuerbaren Schalter (22) überbrückt ist und daß eine Steuereinheit (26) mit dem Steuereingang (24) verbunden ist, welche Steuereinheit (26) ein Einschaltsignal an den steuerbaren Schalter (22) abgibt, wodurch die Diode (18) das Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) erzeugen kann.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch in Reihe zu der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) eine Transformationseinheit (28) angeordnet ist, daß die Steuereinheit (26) ein­ gangsseitig mit der Transformationseinheit (28) verbunden ist und daß die Transformationseinheit (28) aus einem durch­ fließenden Hochfrequenzstrom ein Hochfrequenzsignal erzeugt, welches Hochfrequenzsignal von der Steuereinheit (26) zum Einschaltsignal verarbeitet wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsein­ heit (28) als Impedanzglied ausgebildet ist und daß die Steuereinheit (26) elektrisch parallel zum Impedanzglied an­ geordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzglied als induktives Element (30) ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Impedanzglied und der Steuereinheit (26) ein kapazitiver Spannungsteiler (32) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (26) eine Gleichrichtereinheit (34) umfaßt, die aus dem Hochfrequenzsignal ein Gleichsignal erzeugt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschaltsignal ein Spannungssignal ist und der steuerbare Schalter (22) als spannungsgesteuerter Schalter - ausgebildet ist.

8. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 in einer Anordnung zum Verstimmen einer Hochfrequenzantenne (2) eines Magnetresonanzgeräts mit einer zur Hochfrequenzantenne gehörenden Leiteranordnung (3), wobei ein erstes Tor (12) eines λ/4-Transformationsgliedes (10) in die Leiteranordnung (3) eingefügt und ein zweites Tor des λ/4- Transformationsgliedes mit der Hochfrequenz-Schaltdiode (16) abgeschlossen ist.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Längszweig des λ/4-Trans­ formationsglieds (10) die Transformationseinheit (28) bildet.