基于FET主動控制的脈沖核磁共振射頻開關(guān)電路

孫金水， 王秋良， 戴銀明, 李 獻

(中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190)

基于FET主動控制的脈沖核磁共振射頻開關(guān)電路

孫金水， 王秋良， 戴銀明, 李 獻

(中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190)

核磁共振技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中都有廣泛應(yīng)用，如石油、天然氣、地下水等物質(zhì)的勘探以及食品化工行業(yè)中的在線無損檢測等。本文主要介紹了一種新的脈沖核磁共振射頻開關(guān)。核磁共振射頻開關(guān)在核磁共振系統(tǒng)中起著重要作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射通道與接收通道的切換。在核磁共振實驗中，開關(guān)的切換時間以及死區(qū)時間的設(shè)定都非常重要，它們直接影響核磁共振信號的純凈度。本文在四分之一波長傳輸線設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，采用三極管和場效應(yīng)管相結(jié)合的方法來控制開關(guān)切換時間，并通過電解電容充放電的方法實現(xiàn)了對死區(qū)時間的控制。

核磁共振； 射頻開關(guān)； 死區(qū)時間

1 引言

核磁共振(NMR)是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時作用下，滿足一定條件時所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象。核磁共振技術(shù)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測和生化分析等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，已成為確定有機化合物特別是新有機化合物結(jié)構(gòu)的最有力的工具之一。近60年來，核磁共振技術(shù)作為探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的主要手段取得了驚人進展。

核磁共振技術(shù)又分為連續(xù)波核磁共振和脈沖核磁共振技術(shù)。脈沖核磁共振技術(shù)較之連續(xù)波核磁共振技術(shù)有以下優(yōu)點[1]。

(1)脈沖強而窄，但頻譜很寬。這等效于一個多通道頻率發(fā)射機，它可以同時激勵樣品的所有頻率。當(dāng)接受機的帶寬足夠?qū)挄r它可以同時接受所有頻率信號，這樣可以減少實驗時間。采用計算機技術(shù)把采樣結(jié)果累加，可把核磁共振信號的信噪比提高幾個數(shù)量級。

(2)脈沖核磁共振實驗為測量弛豫時間提供了比連續(xù)波核磁共振技術(shù)更為精確的手段。

國外早在20世紀(jì)70年代就開始了低場核磁共振分析儀器的研制，比較有代表性的是德國的 Bruker公司。目前Bruker公司的最新產(chǎn)品 mq系列，其工作頻率在2～65MHz范圍內(nèi)可調(diào)，并增加了互聯(lián)網(wǎng)操作功能，可實現(xiàn)遠程分析測量。國內(nèi)目前還沒有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中低場脈沖核磁共振分析測量儀器，因此研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脈沖核磁共振分析測量儀成為急待解決的問題[2]。

2 脈沖核磁共振儀的構(gòu)成

脈沖核磁共振儀主要由脈沖信號發(fā)射機、射頻功率放大器、射頻開關(guān)、探頭、前置放大器、信號接收機以及DSP控制器等組成，如圖1所示。

圖1 脈沖核磁共振儀示意圖Fig.1 Diagram of NMR spectrometer

從圖中可以看出，發(fā)射機發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過濾波放大后通過射頻開關(guān)進入射頻線圈，激發(fā)樣品發(fā)生核磁共振。在脈沖間隔期間，線圈又吸收樣品釋放的核磁共振信號，通過射頻開關(guān)發(fā)送到前置放大器。其中，射頻開關(guān)連接著發(fā)射機、射頻線圈和接受機，在核磁共振實驗中起著非常重要的作用。

3 射頻開關(guān)工作方式

射頻開關(guān)又稱RF開關(guān)或T/R開關(guān)。在核磁共振系統(tǒng)中，激勵線圈與發(fā)射線圈用的是同一個線圈，采用射頻開關(guān)來切換線圈的發(fā)射模式和接收模式，如圖2所示。因為這兩個模式不能同時工作，射頻開關(guān)在脈沖發(fā)射期間工作在發(fā)射模式，在回波信號接收期間則工作在接收模式。

圖2 射頻開關(guān)示意圖Fig.2 Diagram of RF switch

設(shè)計射頻開關(guān)時必須要考慮以下三個問題。

(1)發(fā)射模式下的射頻脈沖信號功率非常大而核磁共振信號功率非常小，前者為千瓦級而后者為微瓦級。因此，在脈沖發(fā)射期間，射頻開關(guān)必須保證前置放大器不被毀壞。

(2)無論保護措施做得多好前置放大器都可能過載，前置放大器都需要一定的恢復(fù)時間。

(3)探頭線圈是一個調(diào)諧電路，脈沖信號過后會產(chǎn)生與核磁共振信號無關(guān)的振尾。如果脈沖結(jié)束后馬上切換到接收模式，接收到的是與振尾混合的扭曲的信號。

在發(fā)射模式結(jié)束后需要一小段緩沖時間才能切換到接收電路，這段時間稱為死區(qū)時間td，如圖3所示。

圖3 核磁共振波形示意圖Fig.3 Diagram of NMR waveform

死區(qū)時間的設(shè)定直接影響到核磁共振信號的純凈度，如果死區(qū)時間設(shè)定不當(dāng)，前置放大器接受到的是扭曲的非真實信號。死區(qū)時間td可取值為：

td=max(tp，tt，tr)

式中，tp為探頭線圈振蕩時間；tt為發(fā)射機響應(yīng)時間；tr為接收機回復(fù)時間。通常tt比tp小得多，可以忽略不計。如果射頻開關(guān)的保護措施很好可使tr=0，但這是不容易實現(xiàn)的。因為RF的脈沖電壓可以達到幾十伏甚至上百伏，而NMR信號為幾毫伏，前置放大器的飽和電壓一般為幾十毫伏，所以射頻開關(guān)對發(fā)射脈沖需要有非常高的隔離度。

為了實現(xiàn)接收機與發(fā)射機之間良好的分離，人們采用了很多方法，有采用四分之一波長傳輸線原理的被動方法，也有采用基于場效應(yīng)管和二極管控制的主動方法。

4 射頻開關(guān)的原理

本文中所設(shè)計射頻開關(guān)建立在四分之一波長傳輸線理論的基礎(chǔ)上，首先簡要說明傳輸線方程以及四分之一波長理論[3]。

高頻電路可看成由有限傳輸線段與各種分立有源和無源器件的集合。首先，我們著眼于一個負載阻抗和一個長度為l的有限傳輸線段相連的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。假設(shè)負載位于z=0處，電壓波從z=-l處進入線路，由于電路參數(shù)不同，如同光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)會存在反射一樣，電壓波在z=0處也會存在反射，引入反射系數(shù)Γ0，它表示反射波電壓與入射波電壓之比：

式中，V-為反射波電壓；V+為入射波電壓。

圖4 傳輸線示意圖 Fig.4 Schematic diagram of transmission line

在負載位置z=0處，電壓和電流波可以用反射系數(shù)表示為：

(1)

(2)

式中，Z0為與頻率無關(guān)的傳輸線的特征阻抗；k為復(fù)傳播常數(shù)，它只與傳輸線類型有關(guān)。

式(1)除以式(2)可以得到沿z軸任意點的阻抗。在z=-l處的總輸入阻抗記作Zin；在z=0處阻抗稱為負載阻抗，其表達式為：

(3)

由此得出：

(4)

在z=0處，如果開路(ZL趨向于無窮大)，則反射系數(shù)為1，表示反射波與入射波有同樣的極性和幅值；如果短路(ZL=0)，則反射系數(shù)為-1,表示反射波與入射波極性相反幅值相同；當(dāng)ZL=Z0時，反射系數(shù)為零，表示沒有反射，入射電壓完全被負載吸收。

在z=d的一般情況下，如果不考慮傳輸線損耗，通過計算可以得出：

(5)

式中，β為無損線路的傳輸常數(shù)，它可以用頻率和相速度或者波長來表示：β=2πf/v=2π/λ。

假設(shè)ZL=0，則Z(d)=jZ0tan(βd)，而β=2π/λ，所以Z(d)的大小會隨著距離的增加呈現(xiàn)周期性的變化。當(dāng)d=λ/4時，Z(d)趨向無窮大，如同開路一樣，這就是四分之一波長線理論。

在中低頻核磁共振系統(tǒng)中，射頻開關(guān)通常采用基于四分之一波長傳輸線和二極管對相結(jié)合的被動開關(guān)方案[4]，如圖5所示。

圖5 射頻開關(guān)原理圖Fig.5 Traditional RF switch

圖5中，a和b兩點之間是一段四分之一波長的傳輸線，a端是信號輸入端，b端是負載端。

NMR探頭線圈是一個工作在中心頻率的諧振線圈，其諧振頻率大小取決于磁場強度的大小。前置放大器屬于寬帶放大器，發(fā)射機、探頭和前置放大器都被匹配成與傳輸線相同的輸入阻抗(50Ω)。在射頻脈沖期間，發(fā)射機發(fā)送功率到a點時，由于探頭線圈與發(fā)射機輸出端匹配(ZL=Z0)，不存在反射。而射頻脈沖期間二極管D3和D4導(dǎo)通，由于二極管的導(dǎo)通電阻非常小，所以在b點ZL≈0，根據(jù)四分之一波長傳輸線原理，傳輸線的輸入端阻抗無窮大，相當(dāng)于開路，所以射頻功放的輸出功率都進入到探頭線圈中。

當(dāng)脈沖信號結(jié)束，探頭發(fā)出來自樣品的核磁共振信號。由于核磁共振信號只有幾毫伏電壓，無法使二極管D3和D4的導(dǎo)通，傳輸線b端的阻抗為前置放大器的輸入阻抗，而前置放大器與探頭線圈相匹配(ZL=Z0)，所以前置放大器能完全吸收探頭線圈發(fā)出的核磁共振信號。

以上為最簡單的射頻開關(guān)，這種射頻開關(guān)無法控制開關(guān)的死區(qū)時間，容易在NMR信號混入噪聲，影響信號質(zhì)量，對前級放大器的保護不周全，影響前級放大器的使用壽命。

5 主動控制的射頻開關(guān)電路

在這種簡單的射頻開關(guān)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于FET主動控制的射頻開關(guān)電路。其基本思想是增加了門控電路以實現(xiàn)對開關(guān)死區(qū)時間的控制，如圖6所示。

圖6 主動控制的射頻開關(guān)電路Fig.6 Active RF switch circuit

在主傳輸線電路中，通過固定電容C1和可變電容C2將核磁共振線圈電感L調(diào)諧到所需要的工作頻率，通過C3使探頭線圈與脈沖信號發(fā)射電路和接收電路的前置放大器實現(xiàn)阻抗匹配，即射頻線圈工作在發(fā)射模式和接受模式時，能夠充分吸收射頻信號的功率和發(fā)送核磁共振信號。

在主傳輸線電路的λ/4波長傳輸線后面增加一個N溝道場效應(yīng)管J108，它在0V時能正常導(dǎo)通，在-5V時截止。通過對雙極晶體管2N3906和與之并聯(lián)的電解電容C4的充電來改變J108的柵極電壓，實現(xiàn)對J108的控制。J108和2N3906及其外圍電路組成了射頻開關(guān)的控制電路，在控制電路的輸入端輸入TTL波形，如圖7所示。

圖7 射頻脈沖和TTL波形Fig.7 RF pulse and TTL waveform

在射頻脈沖期間，控制電路輸入端為低電平，三極管2N9306導(dǎo)通，電容C4相當(dāng)于被短路，電容C4兩端的電壓為零，J108導(dǎo)通，圖6中四分之一波長傳輸線的負載端b點接地。根據(jù)四分之一波長傳輸線理論，a點向右的輸入阻抗無窮大，實現(xiàn)了射頻脈沖和前置放大器的隔離，保護了前置放大器。該電路設(shè)計的另外一個優(yōu)點是，即使場效應(yīng)管出現(xiàn)問題，D3和D4二極管對也會對前置放大器進行保護。

在射頻脈沖結(jié)束的同時控制電路輸入端輸入TTL高電平，三個1N4148二極管可濾除小的噪聲干擾，防止一些非TTL信號的噪聲影響了三極管工作。在TTL高電平的作用下三極管截止，電容C4相當(dāng)于直接連接在直流電源上，C4開始由-15V電源充電，當(dāng)C4兩端的電壓為-5V時，J108截止。而此時探頭線圈發(fā)出的核磁共振信號非常小，根本不足以使D3和D4導(dǎo)通，所以四分之一波長傳輸線的負載端直接連在前置放大器上，前置放大器與探頭線圈阻抗匹配，即滿足ZL=Z0，此時來自探頭的核磁共振信號在b點的反射系數(shù)為零，前置放大器能夠充分接受核磁共振信號。

C4充電由0V變?yōu)?5V需要的時間正好為死區(qū)時間td。在td期間，J108將探頭線圈接地，探頭線圈能夠釋放殘余能量，而前置放大器被短路，避免接受到探頭線圈釋放的夾雜殘余能量的磁共振信號。當(dāng)C4充電到-5V時J108截止，此時前置放大器開始工作并且接收到的是純凈的核磁共振信號。

死區(qū)時間的長短可以通過改變電容C4的大小來控制。NMR試驗中CuSO4溶液的橫向弛豫時間為110ms[5]，可以選擇td為5～10ms，射頻脈沖的持續(xù)時間為5ms。當(dāng)選擇電容C4為300nF時，仿真得到電容電壓變化如圖8所示。

圖8 C4=300nF時其兩端的電壓變化Fig.8 Change of its voltage when C4=300nF

從圖8中可以看出，在5ms的射頻脈沖期間，開關(guān)電路的控制輸入端為低電平，2N3906導(dǎo)通，C4兩端電壓為零。脈沖結(jié)束后，在開關(guān)電路控制端輸入TTL高電平，2N3906截止，C4直接連接到-15V電源上，C4兩端電壓開始改變。當(dāng)C4兩端電壓變?yōu)?5V時，J108截止，核磁共振信號接收開始，從5ms時脈沖結(jié)束到12ms信號接收開始的時間約為7ms，實現(xiàn)了對死區(qū)時間的控制。

6 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)射頻開關(guān)原理基礎(chǔ)上，提出了一種采用三極管、場效應(yīng)管和電解電容的主動控制電路，實現(xiàn)了對射頻開關(guān)死區(qū)時間的控制。與傳統(tǒng)的射頻開關(guān)相比，該電路不僅能更有效地保護前置放大器，還能通過對死區(qū)時間的控制和調(diào)節(jié)來提高核磁共振實驗信號的純凈度。

[1] 初振東(Chu Zhendong).核磁共振分析測量儀的電路設(shè)計(Circuit design for analysis and measuring instrument of NMR system)[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)(Shengyang: Shenyang University of Technology), 2013. 2.

[2] 張一鳴，駱逸峰(Zhang Yiming,Luo Yifeng).低場脈沖核磁共振分析測量儀及其應(yīng)用(The aplication of low-field pulsed nuclear magnetic resonance system)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器(Modern Scientific Instruments)，2003，1(2):52-54.

[3] 尹帥(Yin Shuai).基于PIN管的大功率射頻開關(guān)研制(Research and design of high power capacity RF switch based on PIN diode)[J].計算機與數(shù)字工程(Computer and Digital Engineering),2013,40(3):121-123.

[4] Aktham Asfour, Kosai Raoof, Jean-Paul Yonnet. Software defined radio (SDR) and direct digital synthesizer (DDS) for NMR/MRI instruments at low-field[J]. Sensors, 2013, 13(12):16245-16262.

[5] 陳翊平，鄒明強，王大寧(Chen Yiping, Zou Mingqiang, Wang Daning).1.5T核磁共振弛豫時間分析儀的研制及其潛在應(yīng)用(Development and its potential application of low-field nuclear magnetic resonance instrumentation)[J].光譜學(xué)與光譜分析(Chinese Journal of Analysis Laboratory), 2012,31(1):119-122.

NMR RF switch circuit based on FET control

SUN Jin-shui, WANG Qiu-liang, DAI Yin-ming, LI Xian

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

NMR technology is widely used in industrial and agricultural production and daily life. For example, it can be used for the exploration of oil, natural gas, groundwater and other material, or nondestructive testing of food chemical industry. In this article a new RF switch used in the NMR system is introduced. The RF switch plays an important role in the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) system. Its function is to switch between the RF transmitting path and the NMR signal receiving path in the NMR system. In the NMR experiment, the switching time and the dead time are very important and they directly affect the purity of the NMR signal. In this paper, a new method based on the traditional quarter-wavelength transmission line is proposed to control the switching time by a combination of transistor and FET circuit, while the dead time can be regulated by means of the charging and discharging of an electrolytic capacitor.

NMR; RF switch; dead time

2015-03-19

孫金水(1988-)， 男， 山東籍， 碩士研究生， 研究方向為核磁共振系統(tǒng)譜儀設(shè)計； 戴銀明(1965-)， 男， 山東籍， 研究員， 研究方向為超導(dǎo)磁體。

TN482.53

A

1003-3076(2016)03-0076-05