具有改进的射频隔离的发送/接收开关电路的制作方法

文档序号:8449085阅读:469来源:国知局
具有改进的射频隔离的发送/接收开关电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对用于在磁共振(MR)成像系统中使用的MR射频(RF)天线的发送/接收(T/R)开关电路。
【背景技术】
[0002]在磁共振(MR)成像领域中,已知采用MR射频(RF)天线,MR射频(RF)天线被提供用于在第一操作周期期间以用于感兴趣对象中的核素的共振激励的共振频率发送RF功率,并且用于在不同于第一操作周期的第二操作周期期间接收由核素发出的MR RF能量。
[0003]在操作MR成像系统的现有技术中,发送RF功率的周期和接收磁共振成像信号的周期以连续的方式在MR成像过程期间发生。可以通过由发送/接收(T/R)开关控制MR天线来生成发送RF功率的周期和和接收MR成像信号的周期。
[0004]现有技术的T/R开关可以应用PIN(正-本征-负)二极管作为开关元件。通常,由正向偏置的PIN 二极管形成的低RF阻抗经由四分之一波长传输线被变换成高RF阻抗,这是由于其在对应连接点处的双重性。在例如Microsem1-Watertown的“The PIN d1deCircuit Designers’ Handbook” (DOC.#98 = WPD-RDJ007,Microsemi 公司,Pleasnt 街 580号,Watertown,MA 02472,美国)的图2.11中描述了该类型的T/R开关。为了在接收MR成像信号的周期期间在提供用于共振激励的RF功率的RF放大器与在接收端的前置放大器之间实现充分的RF隔离,必须在若干级中重复四分之一波长变换。在大多数情况中,两级提供了充分的RF隔离。
[0005]由于四分之一波长变换所需的传输线倾向于非常长且庞大,它们能够由呈现相同变换属性的对应网络替换。因此,给出了该网络的每个部件。
[0006]在图1a中示出现有技术T/R开关的典型实施例。图1b图示采用π -网络的等效集总元件电路,其中,单独地精确确定所需的电感器L和电容器C。在图1a中,RF输入线ΤΧ’从RF放大器(未示出)提供用于核素的共振激励的RF功率。RF输入线ΤΧ’经由PIN 二极管D被连接到MR RF天线Μ’,MR RF天线Μ’继而被连接到四分之一波长RF传输线(λ /4)。四分之一波长RF传输线的远端被连接到具有被提供为放大接收到的MR信号的RF前置放大器的接收端口 RX’和另一 PIN 二极管D’两者。能够通过控制DC偏置电流使PIN 二极管在低RF阻抗的状态与高RF阻抗的状态之间转移,为清楚起见,未示出DC偏置电流的提供电路。
[0007]如能够从图1b获悉的,在发送RF功率的周期期间接收端口 RX’的每级的RF隔离主要由通过二极管D’的电感L和低RF阻抗形成的分压器给出。由于两个值在原则上都由等效于四分之一波长传输线(λ/4)的J1-网络来固定,所以每级的RF隔离也得到确定。
[0008]通常,一个级允许在发送RF功率的周期期间RF隔离为约40dB。如果例如62dBm(大约1.6kW)的RF功率水平被施加到接收(RX’)端口,则没有足够的安全裕量以可靠地保护RF前置放大器(在约25dBm的最大容许功率水平仅仅为62dBm - 40dB = 22dBm)。为此,必须增加第二级ST’,这增加了 T/R开关的复杂度和物理大小。额外地,必须提供更高的总偏置电流。
[0009]出于所示的原因,目前的T/R开关通常包括两级以便实现所需的隔离。现有技术的两级T/R开关及其等效集总元件电路的范例分别被示出在图1c和图1d中。它们包括需要高的总DC偏置电流的大量元件或庞大的传输线。
[0010]随着在被提供用于发送用于共振激励的RF功率以及用于接收MR成像信号的局部多元件MR RF天线阵列中日益增加的兴趣,存在着对改进的发送/接收开关的日益增长的需求。为此,期望提供在发送RF功率的周期期间和在接收MR成像信号的周期期间两者的改进的RF隔离。其他目的是提供针对T/R开关的更多的设计自由度并且相对于RF隔离效果降低总的所需DC偏置电流。

【发明内容】

[0011]因此,本发明的目的是提供一种针对用于在磁共振(MR)成像系统中使用的MR射频(RF)天线的发送/接收(T/R)开关电路,其中,所述T/R开关电路具有改进的RF隔离属性。另外,本发明的所述T/R开关电路可以提供更多的设计自由度。
[0012]在本发明的一个方面中,通过一种T/R开关电路来实现所述目的,所述T/R开关电路包括:
[0013]-RF输入传输线,其被提供用于将RF功率发送到所述MR RF天线;
[0014]-RF输出传输线,其被提供用于将MR信号从所述MR RF天线转移,其中,所述MR信号是要由所述MR RF天线以MR频率接收的;
[0015]-至少两个RF固态开关构件,其中,所述RF输入传输线经由所述至少两个RF固态开关构件中的第一个被连接到所述MR RF天线;
[0016]-偏置电流生成电路,其被提供用于生成针对所述至少两个RF固态开关构件的DC偏置电流;
[0017]其中,所述至少两个RF固态开关构件的RF阻抗能够通过所述偏置电流的变化控制在基本上不导电状态与基本上导电状态之间;
[0018]至少第一电感器和至少第一电容器,其经由所述至少两个RF固态开关构件中的所述第一个被连接;
[0019]其中,所述至少两个RF固态开关构件中的所述第一个与所述第一电感器和所述第一电容器中的一个被串联连接在所述RF输入传输线与所述RF输出传输线(RX)之间;并且
[0020]其中,当所述至少两个RF固态开关构件处于所述基本上导电状态时,所述第一电感器和所述第一电容器形成并联谐振电路,所述并联谐振电路具有基本上等于所述MR频率的共振频率,并且所述并联谐振电路关于所述RF输入传输线被并联到所述MR RF天线;
[0021]-至少第二电感器,其在所述第一电容器被串联连接在所述RF输入传输线与所述RF输出传输线之间时,被串联连接在所述第一电感器和所述第一电容器中的所述一个与所述RF输出传输线之间,或者
[0022]-至少第二电容器,其在所述第一电感器被串联连接在所述RF输入传输线与所述RF输出传输线之间时,被串联连接在所述第一电感器和所述第一电容器中的所述一个与所述RF输出传输线之间,
[0023]其中,所述第二电感器与所述第一电容器或者所述第二电容器与所述第一电感器形成串联谐振电路,所述串联谐振电路具有基本上等于所述MR频率的共振频率,并且所述串联谐振电路被串联连接在所述至少两个RF固态开关构件中的所述第一个与所述RF输出传输线之间;并且其中,所述至少两个RF固态开关构件中的第二个被连接到所述串联谐振电路的所述电感器和所述电容器的共同节点。
[0024]如本申请中使用的,短语“固态开关构件”应被特别地理解为基于半导体技术的电子开关设备。固态开关构件的范例是PIN 二极管或晶体管。
[0025]如本申请中使用的,短语“频率基本上等于所述MR频率”应被特别地理解为频率位于关于所述MR频率对称的范围内,具有优选所述MR频率的±5%,并且最优选为±2%的宽度。
[0026]通过经由所述偏置电流对所述开关构件的控制,能够以具有降低的复杂度、大小和成本的所述T/R开关电路来生成连续的RF发送周期和RF接收周期,同时提供在任何操作时间所述RF输入传输线与所述RF输出传输线及其连接的RF部件之间的高RF隔离。
[0027]在本发明的优选实施例中,所述T/R开关电路包括
[0028]-第二串联谐振电路,其具有至少一个电容器和至少一个电感器,所述第二串联谐振电路具有基本上等于所述MR频率的共振频率;以及
[0029]-至少第三RF固态开关构件;
[0030]其中,所述第二串联谐振电路被串联连接在所述第一串联谐振电路与所述RF输出传输线之间,并且
[0031]其中,所述至少第三RF固态开关构件被连接到所述第二串联谐振电路的所述电感器和所述电容器的共同节点。
[0032]通过这样,能够实现在所述RF输入传输线与所述RF输出传输线及连接的RF部件之间的高度改进的RF隔离。
[0033]在本发明的另一优选实施例中,所述RF固态开关构件中的至少一个包括PIN 二极管。在考虑中的射频(针对核素氢1H为42.6MHz/特斯拉),PIN 二极管用作这样的电气部件,其RF阻抗是流经其的正向DC电流的反函数。因此,能够通过偏置电流的变化,容易地在基本上不导电状态与基本上导电状态之间控制RF阻抗,并且能够提供针对RF固态开关构件的经济高效的解决方案。本文中,如本申请中使用的,短语“基本上不导电状态”和“基本上导电状态”应被特别地理解为在两种状态中的RF阻抗的比率大于500,优选地大于1000,并且最优选地大于10000。
[0034]本发明的另一目的是提供一种用于在MR成像系统中使用的磁共振(MR)射频(RF)天线单元,包括:
[0035]-至少一个MRRF天线;以及
[0036]-发送/接收(T/R)开关
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