一种低场磁共振谱仪的前置放大器的制作方法

本实用新型涉及射频低噪声前置放大器，更为具体的涉及到一种应用于低场磁共振谱仪的前置放大器系统。

背景技术：

磁共振系统是根据核磁共振的原理研制的，它由射频发射线圈发射射频脉冲，使物体内原子核产生共振，然后由射频接收线圈接收磁共振信号。射频低噪声前置放大器是磁共振谱仪射频接收机系统中除接收线圈外最前面的设备，它会对接收线圈接收到的微弱磁共振信号进行放大，提高整个射频接收系统的噪声性能，它的性能优劣直接决定了最终磁共振图像的好坏。

目前对磁共振谱仪低噪声前置放大器的研制大多针对高场磁共振系统，不适用于低场磁共振成像系统的接收机应用。此外，商用的低场磁共振的低噪声前置放大器相对较少，价格昂贵，结构复杂。正如在专利CN 201541238 U中提到的，目前应用于磁共振前置放大器的晶体管大多在50MHz以下存在严重的不稳定性。为了使放大器处于无条件稳定状态，并且尽可能的减少稳定电路给整个LNA的噪声系数带来的影响，多采用源级串联负反馈电感的形式。尽管这种反馈方式可以获得比较好的噪声系数，但是这种方式对于工作在50MHz以下的晶体管需要非常大的反馈电感才能使放大器处于无条件稳定状态，会给电路的匹配带来一定的难度，并且会给回波损耗的优化造成一定的困难。专利US008644773B2采用栅极、漏极间并联负反馈和源级串联负反馈的方式，在两个负反馈电路上添加多个谐振电路，设计出了多频带LNA，负反馈支路添加多个谐振电路使得电路结构更为复杂，增加设计难度。

另一方面，对应用于磁共振谱仪的低噪声前置放大器的屏蔽措施尤为关键，专利CN 203178456 U中采用的壳体在前端的电源接口处只预留了一个电源接口，没有相应的GND接口,无法实现供电直流电源的地与放大器地的连接，会造成电源信号的不完整性，同时可能会影响整个放大器系统的屏蔽性能。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种低场磁共振谱仪的前置放大器，为低场磁共振谱仪提供一个高增益、低噪声、结构简单的前置放大器系统，以改进上述技术存在的缺陷。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供了一种低场磁共振谱仪的前置放大器，包括屏蔽干扰信号的屏蔽盒以及设置在屏蔽盒内放大器电路，所述的放大器电路包括偏置网络、反馈网络、输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络和衰减网络，所述的偏置网络的一端串接5V直流电源，另一端分别串接晶体管的栅极和漏极；所述的反馈网络的一端串接晶体管的栅极，另一端串接晶体管漏极；所述的输入匹配网络的一端串接晶体管的栅极，另一端串接RF信号输入端，所述的输出匹配网络的一端串接晶体管的漏极，另一端串接衰减网络；所述的衰减网络的一端串接输出匹配网络，另一端串接RF信号输出端。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的晶体管为GaAs晶体管，GaAs晶体管采用常用的E-PHEMT晶体管ATF54143作为核心放大器件，具有高增益、低噪声、高线性度的特性。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的偏置网络为无源直流偏置网络，无源直流偏置网络采用分压电阻式偏置的形式，用于保证晶体管工作在线性放大区域。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的反馈网络为负反馈网络，负反馈网络采用晶体管栅极、漏极并联负反馈的形式，用于保证放大器处于无条件稳定状态、调节噪声系数、调节输入阻抗。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的输入匹配网络按照噪声匹配的原则，采用“L”形匹配电路，呈高通滤波形式，用于优化噪声系数，调节截止频率。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的输出匹配网络按照最大功率传输匹配的原则，采用“L”形匹配电路，呈高通滤波形式，用于改善增益，调节截止频率。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的衰减网络采用“π”形电阻性衰减网络，用于改善放大器系统的稳定性、改善输出驻波比。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的屏蔽盒采用高厚度铝盒/铜盒，屏蔽盒的两端作为磁共振信号的输入与输出端，采用BNC接头，分别与内部放大器电路的RF信号输入端和RF信号输出端连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的电源供电接口采用航空接头的形式。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的放大器电路还包括输入保护网络，所述的输入保护网络采用并联式稳压二极管的形式，耦接于RF信号输入端和输入匹配网络中间，用于保护晶体管。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的低场磁共振谱仪的前置放大器，采用一级放大，结构简单、输出驻波比好、稳定性好、反向隔离度高、增益可达30dB以上、带内增益平坦度高、噪声系数低至0.5dB，工作频率越低噪声系数越小。此外还具有供电方便、信号屏蔽性好等特性，通过调节输入输出匹配网络可以适用于不同低场磁共振谱仪的前置放大器系统，尤其适用于0.5T及以下低场磁共振谱仪系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1 是本实用新型一种低场磁共振谱仪的前置放大器的一较佳实施例的结构框图；

图2是本实用新型放大器电路的电路图；

图3是低场磁共振谱仪的前置放大器的外形图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例包括：

一种低场磁共振谱仪的前置放大器，包括屏蔽干扰信号的屏蔽盒以及设置在屏蔽盒内放大器电路，所述的放大器电路包括偏置网络、反馈网络、输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络和衰减网络，所述的偏置网络的一端串接5V直流电源，另一端分别串接晶体管的栅极和漏极；所述的反馈网络的一端串接晶体管的栅极，另一端串接晶体管漏极；所述的输入匹配网络的一端串接晶体管的栅极，另一端串接RF信号输入端，所述的输出匹配网络的一端串接晶体管的漏极，另一端串接衰减网络；所述的衰减网络的一端串接输出匹配网络，另一端串接RF信号输出端。

上述中，所述的晶体管为GaAs晶体管，GaAs晶体管采用常用的E-PHEMT晶体管ATF54143作为核心放大器件，具有高增益、低噪声、高线性度的特性。

进一步的，所述的屏蔽盒采用高厚度铝盒/铜盒，屏蔽盒的两端作为磁共振信号的输入与输出端，分别与内部放大器电路的RF信号输入端和RF信号输出端连接。其中，所述的屏蔽盒输入输出端采用50ΩBNC接头,可以在多种场合直接替换。

作为改进，屏蔽盒的供电接口采用航空接头形式，不仅提供直流电源接口，而且提供直流电源地接口，保证电源信号完整性，并且可以防止电源与地短接的情况，直流电源线从MRI系统屏蔽室外部连接到屏蔽室内部前置放大器的航空接头处时采用屏蔽线。同时采用厚度相对较厚的屏蔽铝盒或者铜盒，整个屏蔽体对其他RF信号及噪声屏蔽明显。

在具体实施例中，还包括输入保护网络，所述的输入保护网络采用并联式稳压二极管的形式，耦接于RF信号输入端和输入匹配网络中间，以防止晶体管被烧毁。还包括旁路电容滤波网络，藕接在电源电压信号输入端，以滤除电源噪声并防止RF信号对电源信号的完整性造成影响。还包括RF Choke 和DC Block网络以防止RF信号和直流信号相互干扰，影响信号完整性。

如图2所示，偏置网络为晶体管放大器提供一定的静态工作点电压、电流，以保证放大器工作在线性放大区域。偏置网络采用电阻分压式无源直流偏置网络，包含电阻R1、R2、R3、R4。电容滤波网络采用旁路滤波的形式，包含电容C1、C2、C3。射频扼流网络采用高频电感扼流的方式，并添加旁路电容将通过扼流电感的射频信号导入到地平面，包含射频扼流电感L1、L2和旁路电容C4、C5。首先5V直流电源连接到三个并接的旁路滤波电容C1、C2、C3的一端后直接串接到电阻R3的一端，三个并接的旁路滤波电容C1、C2、C3另一端直接接地。电阻R3的另一端与电阻电阻R2的一端串接，同时与射频扼流电感L2以及旁路电容C5的一端相连接，射频扼流电感L2的另一端与晶体管的漏极相连接，旁路电容C5的另一端直接接地。电阻R2的另一端与电阻R1串接，同时与电阻R4的一端相连接。电阻R1的另一端直接接地，电阻R4的另一端与射频扼流电感L1以及旁路电容C4的一端相连接，射频扼流电感L1的另一端与晶体管的栅极相连接，旁路电容C4的另一端直接接地。在整个偏置网络中，调节电阻R1和电阻R2的值可以调节放大器的静态工作点电压V_GS，调节电阻R3的值可以调节放大器的静态工作点电流I_DS，电阻R4为放大器提供一个低频端，可以改善放大器低频的稳定性。

反馈网络采用并联负反馈的形式，以改善放大器系统的稳定性、噪声系数、输入阻抗等，包含电阻R5和电容C10。电阻R5的一端与晶体管的漏极相连接，另一端与电容C10串接，电容C10的另一端与晶体管的栅极相连接。在反馈网络中，电阻R5的值是调节反馈量多少的关键。电容C10的作用为隔绝直流信号，防止晶体管漏极直流信号进入晶体管栅极。

输入匹配网络按照较优化噪声进行匹配，保证在较低的噪声系数的同时获得一个比较好的增益。输入匹配网络采用“L”形匹配网络，呈高通滤波形式，以滤除低频干扰噪声，包含电感L3和电容C6。输入保护网络用于保护晶体管，以防止信号过大烧毁晶体管，包含稳压二极管D1、D2。电容C6一端与输入保护网络中稳压二极管D1正极、D2负极相连接后与RF输入信号端连接；另一端与电感L3的一端连接后与隔直电容C7的一端相连接，电感L3的另一端直接接地，隔直电容C7的另一端与晶体管的栅极相连接，稳压二极管D1的负极和D2的正极均接地。在整个输入匹配网络中，调节电容C6和电感L3的值以改变高通滤波的截止频率。

输出匹配网络按照最佳功率传输匹配，保证信号按照最大功率进行传输。输出匹配网络采用“L”形匹配网络，呈高通滤波形式，以滤除低频干扰噪声，主要包含电感L4和电容C9。电感L4的一端直接接地，另一端分别于隔直电容C8的一端和匹配电容C9的一端相连接；隔直电容C8的另一端与晶体管的漏极相连接，匹配电容C9的另一端分别与衰减网络中的电阻R6、R7相连接。在整个输出匹配网络中，调节电容C9和电感L4的值以改变高通滤波的截止频率。

衰减网络采用“π”形电阻性衰减网络，输出端利用电阻性元件可以极大的稳定放大器系统，改善输出驻波比，对系统噪声系数影响极小，包含电阻R6、R7、R8。电阻R7的一端接地，另一端与电阻R6串接以后与输出匹配中的匹配电容C9的一端相连接；电阻R6的另一端与电阻R8串接以后与RF输出信号端直接相连；电阻R8的另一端直接接地。通过调整电阻R6、R7、R8的值以改变衰减网络的值。

如图3所示，用于放大器的屏蔽盒，在屏蔽盒正面电源供电接口处改用航空接头，防止电源与地短接的情况，接头内部左侧金属针连接内部放大器电路的电源，接头内部右侧金属针连接内部放大器电路的地，同时与外部整个屏蔽盒连接在一起；在屏蔽盒的左侧为RF信号的输入端，采用BNC接头，接头内部金属针连接内部放大器电路的输入端，接头外部与整个屏蔽铝盒连接在一起；在屏蔽盒的右侧为RF信号的输出端，采用BNC接头，接头内部金属针连接内部放大器电路的输出端，接头外部与整个屏蔽盒连接在一起,屏蔽盒顶面采用螺丝固定。利用航空接头的供电方式使供电更为安全和便捷，极大的改善了电源信号的完整性，同时电源与RF共地保证了其极高的抗干扰性；采用BNC接口使其应用于许多不同的场合时更为便捷，经过试验整个屏蔽体对其他信号的屏蔽有非常明显的作用。

综上所述，本实用新型的低场磁共振谱仪的前置放大器，采用一级放大，结构简单、输出驻波比好、稳定性好、反向隔离度高、增益可达30dB以上、带内增益平坦度高、噪声系数低至0.5dB，工作频率越低噪声系数越小。此外还具有供电方便、信号屏蔽性好等特性，通过调节输入输出匹配网络可以适用于不同低场磁共振谱仪的前置放大器系统，尤其适用于0.5T及以下低场磁共振谱仪系统中。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。