磁共振主動式射頻開關(guān)設(shè)計方法研究

黃清明，李想，鄭剛

1.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，上海201318；2.上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海200093；3.上海市分子影像學(xué)重點實驗室，上海201318；4.上海理工大學(xué)醫(yī)學(xué)影像工程研究所，上海200093

前言

射頻線圈電路中電感和電容為儲能元器件，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）信號的采集并不是進入弛豫狀態(tài)即刻開始的。射頻脈沖發(fā)射結(jié)束后殘余在射頻線圈中的能量不會瞬間消失，需要一個振蕩衰減的過程，振蕩頻率和即將接收的MRI信號頻率一致，振蕩幅值比MRI信號的幅值大得多，為避免振蕩電流對MRI信號的干擾，必須等待振蕩電流衰減到一定程度后才能開啟射頻接收通道對MRI信號進行采集［1］。從射頻脈沖發(fā)射結(jié)束到開始MRI信號采集之間的時間稱為射頻線圈的死時間τ，另外，射頻開關(guān)對射頻發(fā)射通道和接收通道的切換也需要一定時間τ?，因此，射頻線圈的死時間τ和射頻開關(guān)的切換時間τ?共同構(gòu)成了系統(tǒng)的延時時間Δt，即Δt=τ+τ?。根據(jù)上述分析可知，當(dāng)延時時間Δt小于弛豫時間T2，MRI信號在開始接收前不會衰減為零，系統(tǒng)才能夠接收到該信號［2-4］。

換而言之，對于短弛豫時間信號，要獲得其MRI信號，延時時間Δt必須盡可能小。根據(jù)射頻系統(tǒng)的特性可知，可以從以下3個方面考慮縮短延時時間Δt：（1）增加射頻線圈諧振電路的等效電阻，使能量在電阻上得以快速的消耗；（2）使射頻線圈諧振電路失去諧振狀態(tài)，振蕩電流得以快速衰減；（3）提高射頻開關(guān)的速度［5］。前兩種方法是通過對諧振電路進行設(shè)計和性能分析以縮短射頻線圈死時間τ；而第三種方法主要對射頻開關(guān)電路進行設(shè)計和分析以提高射頻開關(guān)速度，從而縮短射頻開關(guān)的切換時間τ?，為本研究的重點。傳統(tǒng)射頻開關(guān)采用被動開關(guān)設(shè)計，即由電長度傳輸線和二極管對結(jié)合的電路，切換時間τ?為固定值，無法調(diào)整。本研究采用主動射頻開關(guān)設(shè)計，即通過控制PIN二極管的導(dǎo)通和截止實現(xiàn)射頻發(fā)射和接收切換的主動控制［6］。

1 MRI射頻開關(guān)基本理論

射頻（發(fā)射/接收）開關(guān)是射頻功率放大器和射頻線圈與低噪聲前置放大器（Low Noise Amplifier，LNA）之間的連接通道，實現(xiàn)射頻線圈在發(fā)射和接收兩個狀態(tài)之間的切換，從而達到發(fā)射通道和接收通路隔離的目的。MRI信號和射頻脈沖信號的功率差異很大，前者功率通常為微瓦量級，而后者功率為瓦量級甚至千瓦量級，因此，在射頻開關(guān)設(shè)計時，射頻開關(guān)切換速度提高必須以射頻開關(guān)有盡可能大的隔離度、盡可能小的插入損耗和噪聲系數(shù)為前提［7］。

1.1 MRI射頻開關(guān)的工作原理

圖1 為MRI射頻開關(guān)工作原理。射頻開關(guān)由射頻發(fā)射通道開關(guān)ST和射頻接收通道開關(guān)SR組成，當(dāng)MRI系統(tǒng)發(fā)射射頻信號RF 時，發(fā)射通道開關(guān)ST閉合，處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)射線圈處于諧振狀態(tài)，射頻信號RF 經(jīng)發(fā)射通道到達發(fā)射線圈，產(chǎn)生射頻磁場B1，此時接收通道SR斷開，處于截止?fàn)顟B(tài)，接收線圈處于失諧狀態(tài)，避免與發(fā)射線圈產(chǎn)生耦合。當(dāng)開始接收MRI信號時，發(fā)射通道開關(guān)ST即刻斷開，發(fā)射線圈處于失諧狀態(tài)，發(fā)射線圈電容和電感的殘余能量會迅速衰減，縮短了射頻線圈的死時間τ，避免與接收線圈產(chǎn)生耦合，同時接收通道SR閉合，接收線圈處于諧振狀態(tài)［8-10］。

圖1 MRI射頻開關(guān)工作原理Fig.1 Working principle of RF switch for MRI

圖2 為被動式MRI射頻開關(guān)電路結(jié)構(gòu)。射頻開關(guān)的斷開和閉合是通過傳輸線和二極管對D2共同作用間接實現(xiàn)的。射頻開關(guān)通常位于LNA 前端，在射頻發(fā)射階段，為防止射頻脈沖的耦合，采用電長度傳輸線和限幅二極管D2實現(xiàn)對LNA 的保護以及射頻線圈與LNA 的阻抗匹配。射頻脈沖到達射頻線圈的輸入端同時，通過傳輸線到達LNA 輸入端，此時D2導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻很小，因此，傳輸線在射頻線圈的輸入阻抗較高，LNA 的電壓為射頻脈沖在D2導(dǎo)通電阻和LNA 阻抗的分壓值，D2起到限制LNA 輸入端電壓的作用，故稱為限幅二極管。因MRI信號微弱無法導(dǎo)通D2，故D2和傳輸線的存在不影響MRI信號的接收。通過調(diào)整由傳輸線制作的阻抗變換器實現(xiàn)輸入阻抗與負載（LNA）阻抗匹配，實現(xiàn)噪聲最佳匹配，使射頻開關(guān)電路的噪聲系數(shù)最低。同時網(wǎng)絡(luò)是窄頻帶電路，一定范圍內(nèi)的頻率呈現(xiàn)通路，頻率范圍以外信號將被衰減，對MRI信號采集過程的噪聲信號起到抑制作用［11-13］。

圖2 被動式MRI射頻開關(guān)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Passive MRI radio frequency switch circuit structure

1.2 MRI射頻開關(guān)的性能參數(shù)

為減少射頻開關(guān)電路的復(fù)雜性和非線性效應(yīng)，簡化電路的輸入輸出特性關(guān)系。通常用二端口網(wǎng)絡(luò)模型代替射頻開關(guān)電路，在射頻段用散射參量S表征二端口網(wǎng)絡(luò)（射頻開關(guān)電路）的輸入輸出關(guān)系。隔離度和插入損耗是射頻開關(guān)的重要性能指標(biāo)，在二端口網(wǎng)絡(luò)模型中分別用射頻開關(guān)斷開和閉合狀態(tài)下的正向傳輸系數(shù)S21表示［14］。射頻開關(guān)電路中的二極管無論處于導(dǎo)通還是截止?fàn)顟B(tài)，其阻抗都會對信號造成衰減，射頻開關(guān)的性能評價指標(biāo)主要有以下幾個方面。

（1）隔離度。隔離度是指射頻開關(guān)斷開時，射頻開關(guān)對信號的衰減程度，通常要求隔離度盡可能大，理想條件下的隔離度Iso→-∞。電路串聯(lián)方式的隔離度［15］：

其中，Cj為反向偏置等效結(jié)電容，f為工作頻率，Z0為電路特性阻抗。電路并聯(lián)方式的隔離度:

其中，Rs為正向偏置等效電阻，Z0為電路特性阻抗。

（2）插入損耗。插入損耗是指射頻開關(guān)閉合時，信號通過射頻開關(guān)所產(chǎn)生的功率損耗，通常要求插入損耗盡可能小，理想條件下插入損耗IL = 0 dB。電路串聯(lián)方式的插入損耗：

其中，Rs為正向偏置等效電阻，Z0為電路特性阻抗。電路并聯(lián)方式的插入損耗：

其中，Cj為反向偏置等效結(jié)電容，f為工作頻率，Z0為電路特性阻抗。

（3）切換速度。切換速度是指射頻開關(guān)驅(qū)動電源切換到射頻開關(guān)輸出端產(chǎn)生響應(yīng)的快慢程度，通常由電感電容組成的LC 偏置電路和二極管共同決定。電路在狀態(tài)切換過程中，由于電荷的存儲效應(yīng)導(dǎo)致存在一定的延時量。

（4）電壓駐波比。電壓駐波比是輸出端口與輸入端口的特性阻抗之間阻抗匹配程度的評價指標(biāo)，一般要求電壓駐波比VSWR＜2。電壓駐波比小，不代表插入損耗一定小，但是插入損耗小的射頻開關(guān)，電壓駐波比一定小，因此，電壓駐波比只能作為射頻開關(guān)性能評價的參考指標(biāo)。

（5）功率容量。功率容量是指在額定條件下，射頻開關(guān)能夠承受的最大輸入功率。由二極管自身的功率容量、串聯(lián)或并聯(lián)方式、散熱條件和工作狀態(tài)決定。

2 MRI射頻開關(guān)設(shè)計

射頻開關(guān)的主要作用是對射頻線圈的發(fā)射模式和接收模式進行切換。當(dāng)射頻線圈處于發(fā)射狀態(tài)時，射頻發(fā)射開關(guān)閉合，使激勵信號傳輸?shù)桨l(fā)射線圈上，同時斷開射頻接收開關(guān)，保護前置放大器不受大功率的射頻信號影響而損壞；當(dāng)射頻線圈處于接收狀態(tài)時，射頻發(fā)射開關(guān)斷開，射頻接收開關(guān)閉合，防止射頻功放的噪聲信號進入接收電路和射頻線圈，使微弱的MRI信號以盡可能小的衰減到達前置放大器［16-18］。

圖3 為主動式MRI射頻開關(guān)設(shè)計方案，采用PIN二極管，通過直流驅(qū)動電路控制PIN二極管的導(dǎo)通和截止來實現(xiàn)射頻開關(guān)的切換，從而實現(xiàn)對射頻開關(guān)和開關(guān)狀態(tài)的主動控制。直流驅(qū)動電路提供的直流偏置實現(xiàn)對PIN二極管導(dǎo)通和截止的控制，當(dāng)驅(qū)動電路提供正向直流電流時，PIN 二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效于電阻值很小的電阻；當(dāng)驅(qū)動電路提供反向電壓時，PIN 二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，阻抗很大。在一定程度上，直流驅(qū)動電路的速度決定PIN二極管導(dǎo)通和截止的切換速度，進而決定射頻開關(guān)的切換時間。因此，快速驅(qū)動電路的設(shè)計是射頻開關(guān)切換速度提高的關(guān)鍵［19］。MRI射頻開關(guān)性能設(shè)計目標(biāo)參數(shù)見表1。

2.1 基于PIN二極管的主動式射頻開關(guān)設(shè)計

圖4 為基于PIN 二極管的可控射頻開關(guān)設(shè)計。射頻開關(guān)由發(fā)射通道開關(guān)ST、接收通道開關(guān)SR和電感電容組成的LC并聯(lián)電路偏置網(wǎng)絡(luò)組成。

圖3 主動式MRI射頻開關(guān)設(shè)計方案Fig.3 Active MRI radio frequency switch design scheme

表1 MRI射頻開關(guān)性能設(shè)計目標(biāo)參數(shù)Tab.1 Target parameters for performance design of RF switches for MRI

對于發(fā)射通道開關(guān)ST，電路核心元器件PIN二極管D1相當(dāng)于直流控制開關(guān)，當(dāng)直流驅(qū)動電路輸出正向恒流時，PIN 二極管D1導(dǎo)通，發(fā)射通道開關(guān)ST開關(guān)閉合；當(dāng)直流驅(qū)動電路輸出負向恒壓時，PIN 二極管D1截止，發(fā)射通道開關(guān)ST斷開。對于接收通道開關(guān)SR，由二極管D2控制LNA的供電電源，當(dāng)直流驅(qū)動電路輸出正向恒壓時，二極管D2導(dǎo)通，接收通道開關(guān)SR閉合，對LNA 進行供電，進入工作狀態(tài)；反之，二極管D2截止，接收通道開關(guān)SR斷開，LNA失電進入非工作狀態(tài)。LC并聯(lián)電路偏置網(wǎng)絡(luò)起到隔離射頻電路和直流驅(qū)動電路的作用，電容C1使直流驅(qū)動電路信號朝射頻線圈方向流動，同時根據(jù)噪聲匹配原則，C1電容值的選擇應(yīng)保證輸入阻抗Zin等于特性阻抗Z0=50 Ω，使發(fā)射通道端口的正向傳輸系數(shù)S21，即插入損耗最小。MRI射頻開關(guān)電路中D3由反向并聯(lián)的二極管對組成，和傳輸線電路共同作用起到限制LNA輸入端電壓的作用。根據(jù)傳輸線阻抗變換原理，當(dāng)大功率噪聲信號由接收線圈進入接收通道開關(guān)SR時，D3導(dǎo)通出現(xiàn)短路，但是傳輸線電路在輸入端的阻抗很高，大功率噪聲信號在傳輸線電路處被阻隔而不能進入LNA，保護LNA 不受大功率噪聲信號沖擊而損壞；當(dāng)MRI信號采集時，因其信號微弱無法導(dǎo)通D3，故傳輸線電路和D3的存在不影響MRI信號的采集［20-23］。MRI可控射頻開關(guān)電路端口接線與功能見表2。

圖4 基于PIN二極管的可控射頻開關(guān)設(shè)計Fig.4 Design of active RF switch based on PIN diode

表2 MRI可控射頻開關(guān)電路端口接線與功能Tab.2 Circuit port connection and function of active RF switch on MRI

2.2 基于場效應(yīng)管的直流驅(qū)動電路設(shè)計

PIN 二極管的切換速度由自身性能和直流驅(qū)動電路的切換速度共同決定，因此，直流驅(qū)動電路加快了PIN 二極管切換速度，從而提高射頻開關(guān)速度［17］。直流驅(qū)動電路主要為PIN 二極管提供正向偏置的直流正向恒流、正向恒壓和反向偏置的直流負向恒壓。直流驅(qū)動電路的切換速度是指電路輸出的正負電源之間的切換速度。由MRI射頻開關(guān)性能設(shè)計目標(biāo)參數(shù)，射頻開關(guān)的切換時間τ*≤3 μs，則直流驅(qū)動電路的切換時間應(yīng)該更短，發(fā)射通道開關(guān)ST驅(qū)動電路輸出電源為+1 A/-12 V，接收通道開關(guān)SR驅(qū)動電路輸出電源為-8 V/+12 V。

根據(jù)上述射頻開關(guān)電路結(jié)構(gòu)對應(yīng)的直流驅(qū)動電路分為發(fā)射通道開關(guān)ST驅(qū)動電路和接收通道開關(guān)SR驅(qū)動電路。除控制信號外，兩部分完全獨立、交替閉合和斷開。圖5 為基于場效應(yīng)管的直流驅(qū)動電路設(shè)計，通過門控信號控制MOS 場效應(yīng)管交替閉合和斷開，實現(xiàn)發(fā)射通道開關(guān)ST驅(qū)動電路輸出+1 A 恒流源或-12 V 恒壓源，接收通道開關(guān)SR驅(qū)動電路輸出-8 V恒壓源或+12 V 恒流源，達到給射頻開關(guān)提供直流電壓或直流電流的目的［24］。

3 MRI主動式射頻開關(guān)的性能測試

為了計算MRI射頻開關(guān)電路中LC 并聯(lián)偏置網(wǎng)絡(luò)電感和電容，采用電子設(shè)計自動化軟件對MRI射頻開關(guān)進行輔助計算和性能仿真測試［25-26］。圖6 為在發(fā)射通道開關(guān)ST不同狀態(tài)下，電壓駐波比VSWR和插入損耗IL隨頻率的變化曲線。

在發(fā)射通道開關(guān)ST斷開狀態(tài)下，端口RF IN和端口RF/DRV OUT 的電壓駐波比VSWR1、VSWR2 和隔離度隨頻率的變化曲線如圖6a、圖6b、圖6c 所示。工作頻率f= 23 MHz時，VSWR1=675.655，VSWR2=3620.857，兩個物理量的數(shù)值很大，說明此狀態(tài)下射頻開關(guān)電路的輸入輸出阻抗匹配程度很差，符合射頻開關(guān)斷開狀態(tài)的電路特性；對應(yīng)的散射參量S21代表射頻開關(guān)的隔離度Iso= 39.906 dB，滿足隔離度Iso≥35 dB的設(shè)計要求。

當(dāng)發(fā)射通道開關(guān)ST閉合狀態(tài)下，VSWR1、VSWR2 和插入損耗隨頻率的變化曲線如圖6d、圖6e、圖6f所示。工作頻率f=23 MHz時，VSWR1=1.03，VSWR2=1.03，說明射頻開關(guān)電路的阻抗匹配特性良好，滿足端口電壓駐波比VSWR ＜1.5 的設(shè)計目標(biāo)；對應(yīng)的散射參量S21代表射頻開關(guān)的插入損耗IL=0.138 dB，滿足插入損耗IL ≤0.3 dB的設(shè)計要求。

接收通道開關(guān)電路中無PIN二極管，接收通道開關(guān)SR本身并不能主動斷開和閉合，而是通過傳輸線電路和反向并聯(lián)的二極管對D3共同作用間接實現(xiàn)的。圖7 為接收通道開關(guān)端口的電壓駐波比VSWR和插入損耗IL 隨頻率的變化曲線。工作頻率f=23 MHz，端口SIG IN/DRV OUT 和端口SIG OUT 的電壓駐波比分別為VSWR1=1.057，VSWR2=1.057，說明射頻開關(guān)電路的阻抗匹配特性良好，滿足端口電壓駐波比VSWR＜1.5 的設(shè)計目標(biāo)。對應(yīng)的散射參量S21代表射頻開關(guān)的插入損耗IL = 0.257 dB，滿足插入損耗IL ≤0.3 dB的設(shè)計要求。

在門控信號的頻率為1 kHz，占空比10%下，采用示波器測試上述設(shè)計的直流驅(qū)動電路和射頻開關(guān)電路外接負載電阻R1= 10 Ω，R2= 50 Ω 兩端的波形。在門控信號處于高電平狀態(tài)下，根據(jù)RF OUT/DRV OUT 端口的輸出波形可知，射頻發(fā)射通道開關(guān)ST閉合至穩(wěn)定時間約為2.9 μs，延遲時間約為1.5 μs，由于PIN二極管導(dǎo)通存在延時，射頻開關(guān)閉合的時間較長，為消除延遲時間的影響，通常使門控信號提前大約1.5 μs處于高電平狀態(tài)，射頻發(fā)射通道開關(guān)ST閉合的時間縮短到1.4 μs，符合開關(guān)切換時間τ?≤3 μs的設(shè)計要求。

圖7 接收通道開關(guān)端口的電壓駐波比VSWR和插入損耗IL隨頻率的變化曲線Fig.7 VSWR and insertion loss curve with frequency of switching ports in receiving channels

射頻發(fā)射通道開關(guān)ST斷開時間相對于其閉合時間對射頻系統(tǒng)性能的影響更為關(guān)鍵。斷開時間越短，射頻發(fā)射線圈失諧越快，線圈殘余能量衰減越快，死時間τ越短，接收通道開始采集MRI信號的時間越早，弛豫信號的衰減越小，MRI信號（圖像）的質(zhì)量越高。圖8為射頻發(fā)射通道開關(guān)ST的斷開時間，沿波形開始下降到最低點需要的時間約為0.72 μs，此時間即為射頻發(fā)射通道開關(guān)ST的斷開時間，符合開關(guān)切換時間τ?≤3 μs的設(shè)計目標(biāo)。同理，通過示波器觀察射頻接收通道開關(guān)SR在SIG IN/DRV OUT 端口的輸出波形，射頻接收通道開關(guān)SR閉合至穩(wěn)定時間約為1.1 μs，接收線圈通道閉合開始接收MRI信號，接收開關(guān)的閉合時間約為1.1 μs，符合開關(guān)切換時間τ?≤3 μs 的設(shè)計要求。沿波形開始下降到最低點需要的時間約為0.65 μs，此時間即為射頻接收通道開關(guān)SR的斷開時間，符合開關(guān)切換時間τ?≤3 μs 的設(shè)計目標(biāo)。在接收完MRI信號之后發(fā)射線圈發(fā)射之前，接收線圈進入失諧狀態(tài)，避免與發(fā)射線圈耦合。

圖8 射頻發(fā)射通道開關(guān)ST的斷開時間Fig.8 Disconnection time of switch ST for radio frequency transmission channel

4 結(jié)論

射頻（發(fā)射/接收）開關(guān)是射頻功率放大器和射頻線圈與LNA 之間的連接通道，實現(xiàn)射頻線圈在發(fā)射和接收兩個狀態(tài)之間的切換，避免發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)生耦合。對于短弛豫時間的MRI信號，射頻開關(guān)的切換時間越短，發(fā)射線圈失諧越快，線圈殘余能量衰減越快，死時間τ越短，接收通道開始采集MRI信號的時間越早，弛豫信號的衰減越小，MRI信號（圖像）的質(zhì)量越高。為縮短射頻開關(guān)的切換時間，本研究在分析被動式MRI射頻開關(guān)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用PIN 二極管設(shè)計主動式MRI射頻開關(guān)電路。采用電子設(shè)計自動化軟件對射頻開關(guān)電路的隔離度、插入損耗、電壓駐波比等性能指標(biāo)進行仿真分析，符合設(shè)計要求；采用示波器對由直流驅(qū)動電路和射頻開關(guān)電路外接負載電阻的端口波形進行分析，射頻開關(guān)的切換速度符合設(shè)計目標(biāo)要求?；赑IN 二極管的射頻開關(guān)能夠有效地縮短射頻開關(guān)時間，具有良好的隔離度、插入損耗和噪聲系數(shù)等性能。