高场核磁共振波谱仪¹H/¹⁹F通道前置放大器的制作方法

专利名称：高场核磁共振波谱仪¹H/¹⁹F通道前置放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种核磁共振波谱仪前置放大器，尤其是涉及一种应用于高场核 磁共振波谱仪力/1，通道高灵敏度和高稳定性的前置放大器。可应用于300 600MHz高 场核磁共振波谱仪。
背景技术：
前置放大器是核磁共振波谱仪射频收发单元的重要组成部分，位于系统的最前 端。在信号接收期间，对来自探头的自由感应衰减信号进行低噪声放大，传送给系统接收 通道的下一级部件；在射频脉冲发射期间，作为发射通道的前端，将高功率脉冲送给探头线 圈。前置放大器的噪声性能对整个接收机的噪声性能有决定性的作用，直接影响到谱仪最 终实验灵敏度指标，因此要求前置放大器具有高性能。从接收探头线圈感应出的信号只有 P V数量级，这就要求前置放大器既要有适当的放大倍数，又要有很低的噪声系数。前置放 大器的高性能要求主要表现在1.在谱仪处于发射状态期间，脉冲序列经过前置放大器的 射频开关和前端匹配电路，电路的插入损耗将影响激发原子核共振的射频功率，从而影响 所激发原子核的自由感应衰减信号的大小；2.在谱仪处于接收状态期间，自由感应衰减信 号经过前端匹配电路、放大前端保护电路以及低噪声放大电路，送到系统的下一级部件，前 端匹配电路和放大前端保护电路的插入损耗，以及低噪声放大电路的噪声系数将最终决定 前置放大器的检测灵敏度；3.射频开关电路的高截止隔离度将降低高射频泄漏对接收信 号的干扰；4.高性能的放大前端保护电路将保护放大电路在发射期间由于高功率射频泄 漏对放大器的影响；5.由于从接收探头线圈感应出的信号强度通常从几微伏到几百微伏， 因此要求放大电路具有可靠的线性范围；6.射频开关电路应具有快速的收发切换速度，以 保证接收时前置放大器完全处于接收状态。 目前，国外的高场核磁共振波谱仪1H/19F通道前置放大器作为整体系统的重要 部件提供了高灵敏度的信号放大功能。 国外高场超导脉冲核磁共振波谱仪中的前置放大器部件，设计结构或功能上均有 自身特色，也有不足之处。以美国Varian公司和德国Bruker公司的高场核磁共振波谱仪 1H/19F通道前置放大器为例说明。这两家公司提供给的用户手册等公开资料显示，Varian 公司的高场核磁共振波谱仪1H/19F通道前置放大器结构简洁，但没有工作状态指示和检 测功能，因此谱仪工作时无法判断前置放大器的工作状态，而且带内的功率增益也不够平 坦；而德国Bruker公司的高场核磁共振波谱仪lH/19F通道前置放大器结构较为复杂，特别 在放大前端保护电路的四分之一波长线和状态检测电路上结构复杂，不仅可能会引入了不 必要的干扰，而且会增加插入损耗和故障出错率，从而影响了系统的整体稳定性。 另一方面，国外已报道或公开文献和专利提到的核磁共振仪器前置放大器均只涉 及放大部分，而不包含高功率射频收发开关、放大前端高功率射频保护部分及前端滤波部 分。例如美国专利US7123090B2和US5545999都仅为谱仪接收状态下的低噪声放大电路的 独特设计，它们的前置放大器不含有高功率射频收发开关电路、放大前端高功率射频保护电路及前端滤波电路。C Huan， S. S.等(C Huan， S. S. Kim， L. Phelps， J. S. Xia， D. Candela and N. S. Sullivan. ANovel Design of a Low Temperature Preamplifier for Pulsed NMR Experiments of Dilute 3He inSolid 4He. Journal of Low Temperature Physics, Published online :1 October 2009)所设计的前置放大器也仅是小信号放大电路。

发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简洁、噪声系数低、带内增益平坦度高、放大 线性范围大、射频开关收发切换速度快、截止隔离度高、工作状态检测功能准确灵敏、稳定 性好的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器。 本实用新型设有射频开关电路、射频开关控制电路、前端匹配电路、放大前端保护 电路、放大电路、输出匹配网络、工作状态检测电路和直流偏置电路。 射频开关电路输入端外接高场核磁共振波谱仪的射频脉冲输入端口 P3，射频开关 电路输出端接放大前端保护电路输入端；前端匹配电路输入端外接高场核磁共振波谱仪的 ^核和19F核自由感应衰减信号输入，前端匹配电路输出端接放大前端保护电路输入端，射 频开关控制电路输入端和工作状态检测电路输入端分别外接射频开关控制电平输入端口； 射频开关控制电路输出端分别接射频开关电路和放大前端保护电路，放大前端保护电路输 出端接放大电路输入端，放大电路输出端接输出匹配网络输入端，输出匹配网络输出放大 后的^核和19F核自由感应衰减信号，工作状态检测电路和直流偏置电路分别接供电电路。 射频开关电路由两级串联PIN二极管组成，当波谱仪处于发射状态时，射频开关 电路导通，射频脉冲由该开关电路送至探头，当波谱仪处于接收状态时，射频开关电路截 止。 射频开关控制电路由电阻网络组成，通过改变电阻值可调节射频开关PIN 二极管 的导通电流值，从而改变射频开关导通程度以及导通/截止的切换速度。开关控制电路控 制信号由外接TTL开关电平给予。 放大电路由两级放大器组成，其中第一级采用低噪声增强型Pseudomorphic High ElectronMobility Transistor,第二级采用硅双级达林顿放大管。当波谱仪处于接收状态 时，该放大电路用于放大来自探头的自由感应衰减信号。 前端匹配网络由七阶椭圆高通滤波电路构成，置于该前置放大器的前端，与探头 端口相连，是接收和发射的公共通道，输入输出阻抗匹配为50Q ，同时起到高通滤波器的作 用。 放大前端保护电路，用于发射状态时，保护放大电路。利用理想状态下1/4波长线 所接负载短路时其输入阻抗为无穷大的特性，同时为了更可靠的保护放大电路，采用了三 级保护结构。 输出匹配网络由电容和电感网络组成，实现输出阻抗匹配在50 Q 。 射频开关电路、射频开关控制电路和前端匹配电路组成的大信号高功率电路，放
大前端保护电路、放大电路及输出匹配网络组成的小信号低噪声电路，工作状态检测电路3
部分电路分别装于屏蔽盒内，互相隔离。 由于本实用新型设有大信号高功率电路、小信号低噪声电路和工作状态检测电 路，射频开关电路、射频开关控制电路和前端匹配电路组成大信号高功率电路，放大前端保护电路、放大电路及输出匹配网络组成小信号低噪声电路；而且大信号高功率电路、小信号 低噪声电路和工作状态检测电路分别装于屏蔽盒内，互相隔离，避免干扰。当系统处于发射 状态时，功放送来的射频脉冲经过射频开关电路和前端匹配网络后再送出至探头。当系统 处于接收状态时，探头检测到的自由感应衰减信号经过前端匹配网络、放大前端保护电路、 放大电路和输出匹配网络后，送出至下一级部件。 射频开关电路可采用两级串联PIN 二极管，第一级PIN 二极管并联LC谐振网络， 提高射频开关截止时带内隔离度；放大部分采用两级放大结构，其中第一级采用高动态范 围、低噪声增强型Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,第二级采用硅双 级达林顿放大管；放大前端保护电路采三级并联PIN二极管结构；工作状态检测电路采用 正负电流检测结构，通过LED显示，设置不同的故障状态电阻比例，可准确可靠的反映前置 放大器的工作状态以及故障情况。 由此可见，本实用新型可获得以下有益的效果具有噪声系数低、放大线性范围
大、射频开关收发切换速度快、截止隔离度高、工作状态检测功能准确灵敏、带内增益平坦 度高、稳定性好、结构简洁等优点，可满足现代高场核磁共振波谱仪^/"F通道信号检测放
大的高性能要求，且调整电路中电容电感等基本元件的值，实现不同的工作频率带宽，满足 具体共振频率高场谱仪的需要。 本实用新型所涉及的核磁共振仪器前置放大器不仅包含小信号放大电路，还包括 高功率射频收发开关、放大前端高功率射频保护电路和前端滤波电路等，这些部分对检测 信号的灵敏度也具有至关重要的影响。因此国外报道或公开的文献和专利所涉及的核磁共 振仪器前置放大器在结构上与本实用新型相差甚远，功能也有很大的差别。

图1为本实用新型的整体结构电路。 图2为射频开关电路电路图。 图3为前端匹配网络电路图。 图4为放大前端保护电路图。 图5为射频开关控制电路图。 图6为低噪声放大电路电路图。 图7为工作状态检测电路电路图。 图8为本实用新型整体电路接收状态的稳定系数仿真结果图。在图8中，横坐标 为频率(MHz)，纵坐标为稳定系数。 图9为本实用新型整体电路接收状态的噪声系数仿真结果图。在图9中，横坐标 为频率(MHz)，纵坐标为噪声系数(dB)。 图10为本实用新型整体电路接收状态的功率增益仿真结果图。在图10中，横坐 标为频率(GHz)，纵坐标为功率增益(dB)。 图11为本实用新型整体电路接收状态的输出驻波仿真结果图。在图11中，横坐 标为频率(MHz)，纵坐标为输出驻波。 图12为本实用新型整体电路接收状态的P3端口至P1端口的传输特性仿真结果 图。在图12中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至Pl端口的传输特性(dB)。
5[0032] 图13为本实用新型整体电路发射状态的P3端口至Pl端口的传输特性仿真结果 图。在图13中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至Pl端口的传输特性(dB)。 图14为本实用新型整体电路发射状态的输出和输入驻波仿真结果图。在图14中， 横坐标为频率(MHz)，纵坐标为输入、输出驻波。 图15为本实用新型整体电路发射状态的P3端口至P2端口的传输特性仿真结果 图。在图15中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至P2端口的传输特性(dB)。
具体实施方式下面将结合附图对本实用新型作详细介绍 如图1所示，本实用新型所述高场核磁共振波谱仪力/1，通道前置放大器包括大
信号高功率电路板、小信号低噪声电路和工作状态检测电路。大信号高功率电路包括射频 开关电路1、射频开关控制电路2和前端匹配网络3，小信号低噪声电路包括放大前端保护 电路4、低噪声放大电路5及输出匹配网络6。射频开关控制电路2由电阻网络组成。三部 分电路分别装于屏蔽盒的三个屏蔽腔内，互相隔离，避免干扰。屏蔽盒有5个端口，当系统 处于发射状态时，功放送来的射频脉冲由P3端口传入前置放大器，经过射频开关电路1和 前端匹配网络2后由Pl端口送出至探头。当系统处于接收状态时，探头检测到的自由感应 衰减信号由Pl端口送入前置放大器，经过前端匹配网络3、放大前端保护电路4、低噪声放 大电路5和输出匹配网络6后，由P2端口送出至下一级部件。射频开关控制电路2的TTL 电平信号由Jl端口输入，直流偏置电路7的供电和工作状态检测电路8的供电由J2端口 输入。 图2中两级PIN 二极管为串联接法，PIN 二极管选用高功率PIN开关二极管。当 3A和4A端为正电平(如+4. 5V +5V)时，PIN1和PIN2导通，此时Pl端口的射频脉冲通 过射频开关电路从1A端送到下一级。通过调整图5中电阻Rl、 R2和R4，可改变流经PIN1 和PIN2的电流，从而调整PIN开关电路的导通程度以及导通/截止速度。3A和4A端为负 电平(如-10V -15V)时，二极管截止，信号将不能通过此通道，L5、C3构成谐振网络，PIN 截止时形成高阻抗，提高了射频开关截止状态时的带内隔离度。 图3中采用的是7阶椭圆滤波器，实现50 Q阻抗匹配网络，同时形成带通滤波器， 抑制低频干扰，消除部分高次谐波。 图4中，Tl、 T2为两根1/4波长同轴线，PIN二极管为并联接法。当6A、7A和8A 端为正电平(如+4. 5V +5V)时，PIN3、CR1、CR2、CR3和CR4导通，Cll、 C13、 C14、 C16和 C17形成高频接地，构成三级并联PIN 二极管保护电路，此时在1C端看保护电路的阻抗无 穷大，形成高频断路状态，高功率射频信号无法经过保护电路。当6A、7A和8A端为负电平 (如-10V -15V)时，PIN3、 CR1、 CR2、 CR3和CR4截止，放大前端保护电路为正常信号通 道，通道损耗极小，由探头送来的自由感应衰减信号可顺利通过放大前端保护电路。同样调 整图5中电阻R3、R5和R6，可改变流经PIN3、CR1、CR2、CR3和CR4的电流，从而调整电路的 导通程度以及导通/截止速度。三级保护结构有效可靠的保护了后级低噪声放大电路。 图6低噪声放大电路中采用两级放大结构，第一级采用高动态范围、低噪声增强 型Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,如安捷伦公司的ATF54143，其 200MHz 1GHz范围内噪声系数可达O. 25dB，具有较高的动态范围，且在高场核磁共振波谱仪^/"F通道所要求的频率带宽内，该放大管具有良好的增益平坦度。第二级采用硅双级 达林顿放大管，如安捷伦公司的ADA4743，工作电路简单易于使用，且线性度和增益平坦度 均能够满足设计需要，并能够与第一级放大管构成良好的级间匹配和稳定结构。 图7为工作状态检测电路，其中U4的功能为检测负电流。接收状态下，若射频开 关工作正常，则流过R15两端的电流为零，U4的输出为零，通过电压比较器U8与参考电压 相比较，此时U8的输出电压为零，通过反相器U6后可驱动LED绿灯亮；若射频开关工作异 常，即通过R15两端的电流大于或等于5mA，则U4的输出大于或等于1. 3V，通过电压比较器 U8与参考电压相比较，此时U8的输出电压为高电平，可驱动LED红灯亮。通过设置R13和 R14两个电阻的阻值来设定U7的输出电压为1. 3V，即U8的参考电压。U6的功能为检测正 电流，利用其内部的五个电流比较器，设置了两路负载检测，R13和R15为这两路负载的电 流检测电阻。当流过R13和R15的电流在设定范围内时，U6的输出电压为零，此时通过反 相器U6后可驱动LED绿灯亮，相反，若检测电流超出范围，则U6的输出电压为IIV，可驱动 LED红灯亮。10A和11A两个端口分别接需要检测的两路负载，即放大模块和开关模块，以 此来检测这两路的工作状态。 利用ADS软件对本实用新型的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器整体电 路进行仿真。以500MHz核磁共振波谱仪为例，工作带宽100MHz，仿真结果如图8 15所 示，仿真主要过程如下 1)接收通道电路的稳定性、噪声系数和S参数仿真分析结果显示通过优化，实 现了噪声系数< 0. 7dB(纯电路噪声系数不考虑连接损耗)，稳定系数I0 l，输出驻波比 < 1. 5，带内增益> 35dB，带内增益平坦度〈1. 5dB，射频开关带内截止隔离度〉55dB。 2)发射通道电路的S参数仿真分析结果显示通过优化，实现了 500MHz频率点插 入损耗< 0. 5dB，输入输出驻波比〈1. 5，放大前端带内保护隔离度> 70dB。 本实用新型的^/"F通道前置放大器电路主要性能实测结果为 接收通道电路的实测结果实现带内噪声系数< 1.0dB，输出驻波比〈1.5，带内 增益> 35dB，带内增益平坦度〈1. 5dB，射频开关带内截止隔离度〉50dB，电路工作稳定无 自激振荡。 发射通道电路的实测结果实现了 500MHz频率点插入损耗为0. 5dB，输入输出驻 波比< 1. 5，放大前端带内保护隔离度> 55dB。
权利要求高场核磁共振波谱仪1H/19F通道前置放大器，其特征在于设有射频开关电路、射频开关控制电路、前端匹配电路、放大前端保护电路、放大电路、输出匹配网络、工作状态检测电路和直流偏置电路；射频开关电路输入端外接高场核磁共振波谱仪的射频脉冲输入端口P3，射频开关电路输出端接放大前端保护电路输入端；前端匹配电路输入端外接高场核磁共振波谱仪的1H核和19F核自由感应衰减信号输入，前端匹配电路输出端接放大前端保护电路输入端，射频开关控制电路输入端和工作状态检测电路输入端分别外接射频开关控制电平输入端口；射频开关控制电路输出端分别接射频开关电路和放大前端保护电路，放大前端保护电路输出端接放大电路输入端，放大电路输出端接输出匹配网络输入端，输出匹配网络输出放大后的1H核和19F核自由感应衰减信号，工作状态检测电路和直流偏置电路分别接供电电路。
2. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于射频 开关电路由两级串联PIN 二极管组成。
3. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于射频 开关控制电路由电阻网络组成。
4. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/1，通道前置放大器，其特征在于放 大电路由两级放大器组成，其中第一级采用低噪声增强型Pseudomorphic High Electron MobilityTransistor，第二级采用硅双级达林顿放大管。
5. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于前端 匹配网铬由七阶椭圆高通滤波电路构成，前端匹配网络设于前置放大器的前端，与探头端 口相连，是接收和发射的公共通道，输入输出阻抗匹配为50Q 。
6. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于放大 前端保护电路用于发射状态时保护放大电路，放大前端保护电路采用三级 >保护结构。
7. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于输出 匹配网络由电容和电感网络组成，实现输出阻抗匹配为50 Q。
8. 如权利要求1所述的高场核磁共振波谱仪力/"F通道前置放大器，其特征在于射频 开关电路、射频开关控制电路和前端匹配电路组成的大信号高功率电路；放大前端保护电 路、放大电路及输出匹配网络组成的小信号低噪声电路以及工作状态检测电路共三部分电 路分别装于屏蔽盒内，互相隔离。
专利摘要高场核磁共振波谱仪1H/19F通道前置放大器，涉及一种核磁共振波谱仪前置放大器。提供一种结构简洁、噪声系数低、带内增益平坦度高、放大线性范围大、射频开关收发切换速度快、截止隔离度高、工作状态检测功能准确灵敏、稳定性好的高场核磁共振波谱仪1H/19F通道前置放大器。设有射频开关电路、射频开关控制电路、前端匹配电路、放大前端保护电路、放大电路、输出匹配网络、工作状态检测电路和直流偏置电路。可满足现代高场核磁共振波谱仪1H/19F通道信号检测放大的高性能要求，且调整电路中电容电感等基本元件的值，实现不同的工作频率带宽，满足具体共振频率高场谱仪的需要。
文档编号H03F1/52GK201540363SQ200920181229
公开日2010年8月4日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者包长虹, 孙惠军, 戴春亮, 陈忠 申请人:厦门大学