磁共振主动式射频开关设计方法研究
发布时间：2020-12-20 01:12
目的:为避免磁共振成像(MRI)系统射频线圈的发射和接收两种工作模式发生耦合,对于短弛豫时间信号的采集,要求射频开关的切换时间应尽可能短。方法:在分析被动式MRI射频开关电路结构的基础上,采用PIN二极管设计了主动式MRI射频开关电路,由直流驱动电路控制PIN二极管的导通和截止实现射频开关的切换,从而达到对射频开关及其状态的主动控制,以缩短射频开关的切换时间。结果:采用电子设计自动化软件对射频开关电路的隔离度、插入损耗、电压驻波比等性能指标进行仿真分析,符合设计要求;通过示波器对由直流驱动电路和射频开关电路外接负载的端口波形进行分析,射频开关的切换速度达到预期目标。结论:基于PIN二极管的射频开关能够有效地缩短射频开关时间,具有良好的隔离度、插入损耗和噪声系数等性能。
【文章来源】：中国医学物理学杂志. 2020年11期
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
MRI射频开关工作原理
图2为被动式MRI射频开关电路结构。射频开关的断开和闭合是通过λ4传输线和二极管对D2共同作用间接实现的。射频开关通常位于LNA前端，在射频发射阶段，为防止射频脉冲的耦合，采用电长度λ4传输线和限幅二极管D2实现对LNA的保护以及射频线圈与LNA的阻抗匹配。射频脉冲到达射频线圈的输入端同时，通过λ4传输线到达LNA输入端，此时D2导通，导通电阻很小，因此，传输线在射频线圈的输入阻抗较高，LNA的电压为射频脉冲在D2导通电阻和LNA阻抗的分压值，D2起到限制LNA输入端电压的作用，故称为限幅二极管。因MRI信号微弱无法导通D2，故D2和λ4传输线的存在不影响MRI信号的接收。通过调整由λ4传输线制作的阻抗变换器实现输入阻抗与负载（LNA）阻抗匹配，实现噪声最佳匹配，使射频开关电路的噪声系数最低。同时λ4网络是窄频带电路，一定范围内的频率呈现通路，频率范围以外信号将被衰减，对MRI信号采集过程的噪声信号起到抑制作用[11-13]。1.2 MRI射频开关的性能参数
对于发射通道开关ST，电路核心元器件PIN二极管D1相当于直流控制开关，当直流驱动电路输出正向恒流时，PIN二极管D1导通，发射通道开关ST开关闭合；当直流驱动电路输出负向恒压时，PIN二极管D1截止，发射通道开关ST断开。对于接收通道开关SR，由二极管D2控制LNA的供电电源，当直流驱动电路输出正向恒压时，二极管D2导通，接收通道开关SR闭合，对LNA进行供电，进入工作状态；反之，二极管D2截止，接收通道开关SR断开，LNA失电进入非工作状态。LC并联电路偏置网络起到隔离射频电路和直流驱动电路的作用，电容C1使直流驱动电路信号朝射频线圈方向流动，同时根据噪声匹配原则，C1电容值的选择应保证输入阻抗Zin等于特性阻抗Z0=50Ω，使发射通道端口的正向传输系数S21，即插入损耗最小。MRI射频开关电路中D3由反向并联的二极管对组成，和λ4传输线电路共同作用起到限制LNA输入端电压的作用。根据λ4传输线阻抗变换原理，当大功率噪声信号由接收线圈进入接收通道开关SR时，D3导通出现短路，但是λ4传输线电路在输入端的阻抗很高，大功率噪声信号在λ4传输线电路处被阻隔而不能进入LNA，保护LNA不受大功率噪声信号冲击而损坏；当MRI信号采集时，因其信号微弱无法导通D3，故λ4传输线电路和D3的存在不影响MRI信号的采集[20-23]。MRI可控射频开关电路端口接线与功能见表2。2.2 基于场效应管的直流驱动电路设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PIN管的宽带高隔离度开关的设计与仿真[J]. 唐正,吕晓蕊. 舰船电子工程. 2017(01)
[2]一种具有低插入损耗耗PIN SPDT开关设计[J]. 吴云飞,董艳红,侯宪春,张漫,何生晖. 佳木斯大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]PIN二极管在射频开关电路中的工作原理及应用[J]. 吴安,杨洋. 科技风. 2016(10)
[4]磁共振快速T/R开关驱动器研制[J]. 刁玉剑,谢君尧,徐俊成,蒋瑜. 波谱学杂志. 2016(01)
[5]适于共用孔径的可重构天线技术[J]. 王伟光. 微波学报. 2015(05)
[6]8kW高功率单刀四掷射频开关[J]. 吴家锋,吴程,赵夕彬. 半导体技术. 2015(07)
[7]PIN二极管在射频电路中的应用[J]. 赵朋斌,蒲文飞,陆磊. 信息系统工程. 2014(09)
[8]一种新颖的实现大小功率切换的技术[J]. 卢小娜,李嘉颖,陈志宏. 电子科技. 2014(04)
[9]低场磁共振的信号源和功放前级[J]. 傅元,初振东. 仪表技术与传感器. 2014(02)
[10]基于PIN管的多路大功率宽带高线性射频开关的研制[J]. 张光辉,石玉,何泽涛. 电子元件与材料. 2012(11)
硕士论文
[1]核磁共振射频开关及驱动电路设计[D]. 刁玉剑.华东师范大学 2014
[2]伪随机跳频射频电路设计[D]. 吴爽.南京理工大学 2014
[3]磁共振射频电路设计[D]. 徐俊成.华东师范大学 2012
[4]方向图可重构天线系统的设计与实现[D]. 杜海霞.苏州大学 2011
[5]低场磁共振FID信号放大电路的分析与研究[D]. 薛梓瑗.中国科学院研究生院（电工研究所） 2002
本文编号：2926916
【文章来源】：中国医学物理学杂志. 2020年11期
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
MRI射频开关工作原理
图2为被动式MRI射频开关电路结构。射频开关的断开和闭合是通过λ4传输线和二极管对D2共同作用间接实现的。射频开关通常位于LNA前端，在射频发射阶段，为防止射频脉冲的耦合，采用电长度λ4传输线和限幅二极管D2实现对LNA的保护以及射频线圈与LNA的阻抗匹配。射频脉冲到达射频线圈的输入端同时，通过λ4传输线到达LNA输入端，此时D2导通，导通电阻很小，因此，传输线在射频线圈的输入阻抗较高，LNA的电压为射频脉冲在D2导通电阻和LNA阻抗的分压值，D2起到限制LNA输入端电压的作用，故称为限幅二极管。因MRI信号微弱无法导通D2，故D2和λ4传输线的存在不影响MRI信号的接收。通过调整由λ4传输线制作的阻抗变换器实现输入阻抗与负载（LNA）阻抗匹配，实现噪声最佳匹配，使射频开关电路的噪声系数最低。同时λ4网络是窄频带电路，一定范围内的频率呈现通路，频率范围以外信号将被衰减，对MRI信号采集过程的噪声信号起到抑制作用[11-13]。1.2 MRI射频开关的性能参数
对于发射通道开关ST，电路核心元器件PIN二极管D1相当于直流控制开关，当直流驱动电路输出正向恒流时，PIN二极管D1导通，发射通道开关ST开关闭合；当直流驱动电路输出负向恒压时，PIN二极管D1截止，发射通道开关ST断开。对于接收通道开关SR，由二极管D2控制LNA的供电电源，当直流驱动电路输出正向恒压时，二极管D2导通，接收通道开关SR闭合，对LNA进行供电，进入工作状态；反之，二极管D2截止，接收通道开关SR断开，LNA失电进入非工作状态。LC并联电路偏置网络起到隔离射频电路和直流驱动电路的作用，电容C1使直流驱动电路信号朝射频线圈方向流动，同时根据噪声匹配原则，C1电容值的选择应保证输入阻抗Zin等于特性阻抗Z0=50Ω，使发射通道端口的正向传输系数S21，即插入损耗最小。MRI射频开关电路中D3由反向并联的二极管对组成，和λ4传输线电路共同作用起到限制LNA输入端电压的作用。根据λ4传输线阻抗变换原理，当大功率噪声信号由接收线圈进入接收通道开关SR时，D3导通出现短路，但是λ4传输线电路在输入端的阻抗很高，大功率噪声信号在λ4传输线电路处被阻隔而不能进入LNA，保护LNA不受大功率噪声信号冲击而损坏；当MRI信号采集时，因其信号微弱无法导通D3，故λ4传输线电路和D3的存在不影响MRI信号的采集[20-23]。MRI可控射频开关电路端口接线与功能见表2。2.2 基于场效应管的直流驱动电路设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PIN管的宽带高隔离度开关的设计与仿真[J]. 唐正,吕晓蕊. 舰船电子工程. 2017(01)
[2]一种具有低插入损耗耗PIN SPDT开关设计[J]. 吴云飞,董艳红,侯宪春,张漫,何生晖. 佳木斯大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]PIN二极管在射频开关电路中的工作原理及应用[J]. 吴安,杨洋. 科技风. 2016(10)
[4]磁共振快速T/R开关驱动器研制[J]. 刁玉剑,谢君尧,徐俊成,蒋瑜. 波谱学杂志. 2016(01)
[5]适于共用孔径的可重构天线技术[J]. 王伟光. 微波学报. 2015(05)
[6]8kW高功率单刀四掷射频开关[J]. 吴家锋,吴程,赵夕彬. 半导体技术. 2015(07)
[7]PIN二极管在射频电路中的应用[J]. 赵朋斌,蒲文飞,陆磊. 信息系统工程. 2014(09)
[8]一种新颖的实现大小功率切换的技术[J]. 卢小娜,李嘉颖,陈志宏. 电子科技. 2014(04)
[9]低场磁共振的信号源和功放前级[J]. 傅元,初振东. 仪表技术与传感器. 2014(02)
[10]基于PIN管的多路大功率宽带高线性射频开关的研制[J]. 张光辉,石玉,何泽涛. 电子元件与材料. 2012(11)
硕士论文
[1]核磁共振射频开关及驱动电路设计[D]. 刁玉剑.华东师范大学 2014
[2]伪随机跳频射频电路设计[D]. 吴爽.南京理工大学 2014
[3]磁共振射频电路设计[D]. 徐俊成.华东师范大学 2012
[4]方向图可重构天线系统的设计与实现[D]. 杜海霞.苏州大学 2011
[5]低场磁共振FID信号放大电路的分析与研究[D]. 薛梓瑗.中国科学院研究生院（电工研究所） 2002
本文编号：2926916
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