稳定射频放大器的静态工作点的方法、装置和磁共振设备与流程

本发明涉及MR(magnetic resonance，磁共振)技术领域，具体地涉及稳定射频放大器的静态工作点的方法、装置和磁共振设备。

背景技术：

在MR系统中，RF(射频)放大器输出将产生B1场的RF激励。由于RF放大器的非线性，实际的RF放大器输出与输入相比会有一些失真，这会导致很差的切片轮廓。

为了提高线性度，近年来，尤其在移动通信系统中迅速开发出了数字预矫正、模拟预矫正、前馈、后馈等等技术。实际上，我们可以从其中吸取经验，但应当注意MR系统和通信系统之间的差别，即，MR系统具有比通信/移动系统高40dB的功率。我们也可以搜索到有关应用于MR系统中的线性度技术的许多专利资料。但是，我们从未看到或听到哪个公司将这些技术应用到了其MR系统的功率放大器设计上。这是因为，MR系统的高功耗会产生热量，这会增大射频放大器的结温度，使得静态工作点漂移且在一个脉冲的持续期间会导致增益减小。如果静态工作点漂移的问题不能正确地解决，它将是对上面提到的所有线性度技术的巨大挑战。

US3270294公开了一种热敏电阻偏置电路，其特征是使用一对热敏电阻，每个热敏电阻与一电阻并联，针对与电阻相关联的热敏电阻的阻值来选择该电阻的值。在给定温度范围上控制基极电流在环境温度范围上变化。可以看出，该偏置电路是针对偏置电流而非偏置电压。

US3382445公开了一种用于晶体管的偏置偏移补偿方法。该方法被包含在晶体管包内部，其中二极管的温度系数与相关联的晶体管的基极-发射极结温度系数相似，二极管与其相关联的晶体管相隔很近，以提供快速的热响应从而维持稳定的静态点，并因此提供热补偿。但该方法毕竟是针对IC的，即被包含在放大器内的二极管，而不是针对流行的MOSFET或MESFET、LDMOS等器件。

技术实现要素：

本发明提供稳定射频放大器的静态工作点的方法、装置和磁共振设备。

根据本发明的一个方面，提供一种稳定射频放大器的静态工作点的方法，包括：

对射频放大器的漏极电流进行实时采样；

根据实时采样的所述漏极电流和射频放大器的漏-源极电压计算射频放大器的实时电源功率；

根据射频放大器的有效功率和所计算出的实时电源功率计算射频放大器的热耗散功率；

根据所述热耗散功率以及射频放大器的等效热阻确定用于消除由于射频放大器的结温升高而引起的静态工作点漂移的补偿偏置电压；以及

将所述补偿偏置电压与原始偏置电压一起施加到射频放大器的栅-源极，以使得射频放大器的静态工作点保持稳定。

根据本发明的一个实施例，所述射频放大器为高功率射频放大器。

根据本发明的一个实施例，所述射频放大器用于放大从磁共振设备的激励器发射出的信号。

根据本发明的一个实施例，射频放大器的漏-源极电压是恒定的。

根据本发明的一个实施例，在计算所述实时电源功率之前所述方法还包括：

将实时采样的漏极电流与先前采样的漏极电流做比较；以及

如果实时采样的漏极电流大于先前采样的漏极电流，则执行对实时电源功率的计算。

根据本发明的一个实施例，根据实时采样的所述漏极电流和射频放大器的漏-源极电压计算实时有效功率包括：将实时采样的所述漏极电流乘以所述漏-源极电压来得到所述实时电源功率。

根据本发明的一个实施例，根据射频放大器的有效功率和所计算出的实时电源功率计算射频放大器的热耗散功率包括：用所述实时电源功率减去所述有效功率来获得所述热耗散功率

根据本发明的一个实施例，根据射频放大器的有效功率和所计算出的实时电源功率计算射频放大器的热耗散功率还包括：

在射频放大器位于其中的磁共振设备的预扫描时获得射频放大器的发射增益；

获得射频放大器的输入功率；

用所述输入功率乘以所述发射增益以获得射频放大器的所述有效功率。

根据本发明的一个实施例，根据所述热耗散功率以及射频放大器的等效热阻确定用于消除由于射频放大器的结温升高而引起的静态工作点漂移的补偿偏置电压包括：

根据所述热耗散功率以及射频放大器的等效热阻确定射频放大器的结温；以及

根据所述结温以及射频放大器的热系数确定所述补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，根据射频放大器的输入信号的占空比及其脉冲持续时间通过查找射频放大器的热阻抗数据表来确定所述等效热阻。

根据本发明的一个实施例，射频放大器的所述结温为所述热耗散功率与所述等效热阻的乘积。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压为所述结温与射频放大器的热系数的乘积。

根据本发明的一个实施例，射频放大器的所述热系数为通过实验而确定的常数，所述热系数表征所述结温与所述补偿偏置电压之间的线性关系。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压与所述原始偏置电压的符号相反。

根据本发明的另一方面，提供一种磁共振设备，包括：

射频放大器，用于放大从磁共振设备的激励器发射出的信号；

偏置控制装置，用于根据射频放大器的热耗散功率确定用于消除由于射频放大器的结温升高而引起的静态工作点漂移的补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，所述偏置控制装置所确定的补偿偏置电压与原始偏置电压一起被施加到射频放大器的栅-源极。

根据本发明的一个实施例，所述偏置控制装置进一步包括：

热耗散功率确定单元，用于根据通过实时采样获得的射频放大器的漏极电流、射频放大器的漏-源极电压、射频放大器的发射增益以及射频放大器的输入功率确定射频放大器的热耗散功率；以及

补偿偏置电压确定单元，用于根据所述热耗散功率确定所述补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，所述热耗散功率确定单元进一步包括：

实时电源功率计算单元，用于将通过实时采样获得的所述漏极电流乘以射频放大器的漏-源极电压来得到射频放大器的实时电源功率；

有效功率计算单元，用于将在磁共振设备的预扫描时获得的射频放大器的发射增益乘以射频放大器的输入功率来得到射频放大器的有效功率；以及

热耗散功率计算单元，用于将来自实时电源功率计算单元的所述实时电源功率减去来自所述有效功率计算单元的所述有效功率而得到所述热耗散功率。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压确定单元进一步包括：

结温计算单元，用于将所述热耗散功率乘以射频放大器的等效热阻以得到射频放大器的结温；以及

补偿偏置电压计算单元，用于将所述结温乘以射频放大器的热系数以得到所述补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压确定单元还包括：

等效热阻确定单元，用于根据射频放大器的输入信号的占空比及其脉冲持续时间通过查找射频放大器的热阻抗数据表来确定所述等效热阻。

根据本发明的一个实施例，射频放大器的所述热系数为通过实验而确定的常数，所述热系数表征所述结温与所述补偿偏置电压之间的线性关系。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压与所述原始偏置电压的符号相反。

根据本发明的一个实施例，所述磁共振设备还包括偏置控制触发单元，用于将射频放大器的实时采样的漏极电流与先前采样的漏极电流相比较，并在实时采样的漏极电流大于先前采样的漏极电流的情况下通知偏置控制装置进行补偿偏置电压的确定。

根据本发明的又一方面，提供一种用于稳定射频放大器的静态工作点的偏置控制装置，包括：

热耗散功率确定单元，用于根据通过实时采样获得的射频放大器的漏极电流、射频放大器的漏-源极电压、射频放大器的发射增益以及射频放大器的输入功率确定射频放大器的热耗散功率；以及

补偿偏置电压确定单元，用于根据所述热耗散功率确定所述补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，所述热耗散功率确定单元进一步包括：

实时电源功率计算单元，用于将通过实时采样获得的所述漏极电流乘以射频放大器的漏-源极电压来得到射频放大器的实时电源功率；

有效功率计算单元，用于将在射频放大器位于其中的磁共振设备的预扫描时获得的射频放大器的发射增益乘以射频放大器的输入功率来得到射频放大器的有效功率；以及

热耗散功率计算单元，用于将来自实时电源功率计算单元的所述实时电源功率减去来自所述有效功率计算单元的所述有效功率而得到所述热耗散功率。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压确定单元进一步包括：

结温计算单元，用于将所述热耗散功率乘以射频放大器的等效热阻以得到射频放大器的结温；以及

补偿偏置电压计算单元，用于将所述结温乘以射频放大器的热系数以得到所述补偿偏置电压。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压确定单元还包括：

等效热阻确定单元，用于根据射频放大器的输入信号的占空比及其脉冲持续时间通过查找射频放大器的热阻抗数据表来确定所述等效热阻。

根据本发明的一个实施例，射频放大器的所述热系数为通过实验而确定的常数，所述热系数表征所述结温与所述补偿偏置电压之间的线性关系。

根据本发明的一个实施例，所述偏置控制装置所确定的补偿偏置电压与原始偏置电压一起被施加到射频放大器的栅-源极。

根据本发明的一个实施例，所述补偿偏置电压与所述原始偏置电压的符号相反。

根据本发明的一个实施例，所述偏置控制装置还包括偏置控制触发单元，用于将射频放大器的实时采样的漏极电流与先前采样的漏极电流相比较，并在实时采样的漏极电流大于先前采样的漏极电流的情况下通知热耗散功率确定单元进行热耗散功率的确定。

根据本发明的另一方面，提供一种磁共振设备，其包括如上所述的偏置控制装置。

附图说明

为了更透彻地理解本公开的内容，下面参考结合附图所进行的下列描述，在附图中：

图1示出根据本发明的优选实施例的偏置控制装置的组成框图；

图2示出用于本发明中的放大器的等效热阻的曲线图；

图3是示出根据本发明的偏置控制方法的优选实施例的流程示意图；以及

图4是运用本发明的技术前(图4A)、后(图4B)放大器的漏极电流的示意图。

具体实施方式

在MR设备中，RF放大器用于放大从磁共振设备的激励器发射出的信号，以输出产生B1场的RF激励。当RF放大器的栅极被施加足够的电压V_GS时，RF放大器被导通。一般地，在RF放大器的偏置电压V_GS和漏-源极电压V_DS不变的情况下，RF放大器的漏极电流I_DS应当保持恒定。但是，由于MR设备的高功耗，使得RF放大器产生大量热，导致其结温上升，从而漏极电流I_DS变大，使得静态工作点发生了漂移。为了消除由于结温升高而引起的静态工作点漂移，本发明的发明人提出，根据射频放大器的热耗散功率确定要被施加到栅-源极的补偿偏置电压来补偿静态工作点漂移。

为此，根据本发明的一个实施例，提供了一种用于稳定RF放大器的静态工作点的偏置控制装置，如图1所示。该偏置控制装置包括热耗散功率确定单元1和补偿偏置电压确定单元2。采样装置(在图中未示出)通过实时采样获得的RF放大器的漏极电流I_DS被输入到热耗散功率确定单元1。热耗散功率确定单元1根据该漏极电流值I_DS以及放大器的漏-源极电压值V_DS、发射增益G和输入功率P_in来计算热耗散功率P_diss。具体地，热耗散功率确定单元1又可以细分为三个模块：电源功率计算单元11、有效功率计算单元12和热耗散功率计算单元13。电源功率计算单元11由漏极电流值I_DS以及漏-源极电压值V_DS计算出放大器的总功率，即电源功率P_DS＝V_DS×I_DS。有效功率计算单元12由放大器的发射增益G和输入功率P_in计算出有效功率P_rf＝G×P_in。其中，施加到放大器的漏-源极的电压V_DS为恒定值。并且其中，放大器的发射增益G是在MR设备的预扫描期间获得的。在MR设备的预扫描期间，不断地增大放大器的发射增益，直到获得合适的激励信号。将获得合适的激励信号时的发射增益G输入到热耗散确定单元1，在知道了放大器的输入功率的情况下即可计算出放大器的有效功率、即用于激励信号的功率P_rf＝G×P_in。放大器的电源功率除了用于激励信号以外，还有一部分被以热量的形式耗散掉，其中电源功率P_DS＝有效功率P_rf+热耗散功率P_diss。因此，热耗散功率计算单元13根据电源功率计算单元11和有效功率计算单元12计算出的P_DS和P_rf可以计算出热耗散功串P_diss＝P_DS-P_rf。

补偿偏置电压确定单元2用于根据热耗散功率确定单元1计算出的热耗散功率P_diss来确定用于消除由于放大器的结温升高而引起的静态工作点漂移的补偿偏置电压。已知在热耗散功率P_diss和放大器的结温T_j之间存在以下关系：T_j＝P_diss×Z_θJC，其中Z_θJC为放大器器件的等效热阻。这里，结温T_j指的是放大器的PN结相对于放大器器件的壳温而升高的温度值。补偿偏置电压确定单元2也进一步分为2个模块：结温计算单元21和补偿偏置电压计算单元22。结温计算单元21根据上述公式由热耗散功率P_diss和放大器的等效热阻Z_θJC计算出结温T_j。进一步地，补偿偏置电压确定单元2还包括等效热阻确定单元23，其根据放大器的输入信号(即栅极输入信号)的占空比及其脉冲持续时间通过查找放大器的热阻抗数据表来确定等效热阻。放大器的热阻抗数据表由供应该放大器的器件供应商提供，如图2所示。图2示出了在多种占空比(即图中的多个D值)情况下放大器的等效热阻与脉冲持续时间之间的关系曲线，其中横轴表示热耗散功率脉冲的持续时间，纵轴表示放大器的等效热阻。这里所说的脉冲持续时间是指在一个脉冲周期期间该输入信号的有效时间。由图2可知，如果知道了热耗散功率脉冲的占空比及脉冲持续时间，就可以由该关系曲线图查找出对应的等效热阻。可以将图2中的曲线数字化为查找表并将其存储在存储器中，以供等效热阻确定单元23访问。应当注意的是，供应商所提供的数据表一般是从矩形脉冲得到的，对于任何其它不规则形状的信号，应先将其等效成矩形脉冲。MR设备使用的波形(即放大器的输入信号)是已知的(有很多种)。优选地，在本发明的一个实施例中，所有这些波形都被等效成矩形脉冲，然后其占空比及脉冲持续时间被计算并存储在MR设备的存储器中以供以后使用。在知道了输入信号使用的是那种波形后，就可以查找其等效矩形脉冲的占空比及脉冲持续时间，然后通过查找热阻抗数据表而得出放大器针对这种波形的等效热阻。

可以知道，在放大器的结温T_j与补偿偏置电压值ΔV_GS之间具有线性关系：ΔV_GS＝kT_j。其中k为常数，我们将其称为放大器的热系数，可以通过实验来确定k的值。在MR设备或偏置控制装置出厂之前，针对已经给定的放大器器件，通过以下实验来确定k的值：在放大器的实际应用环境下，在根据上述方法计算出T_j后，将T_j乘以估计的k值，并将由此得到的ΔV_GS施加到放大器的栅-源极(应当理解，为了使得增大了的漏极电流值减小以恢复原值，ΔV_GS的符号与原始偏置电压V_GS的符号是相反的)，如果I_DS未恢复恒定，则调整k的值继续计算ΔV_GS，如此反复迭代，直到I_DS恢复恒定；将I_DS恢复恒定时的k值记录并存储在MR设备或偏置控制装置中以供以后使用。因此，补偿偏置电压计算单元22可以根据所读取的k值以及结温计算单元21所计算出的T_j来计算出ΔV_GS的值。如上所述，将大小等于ΔV_GS的补偿偏置电压与原始偏置电压一起施加放大器的到栅-源极，其中ΔV_GS的符号与原始偏置电压V_GS的符号相反。由此，可以使得漏极电流恢复恒定。由于本发明可以实时地对漏极电流进行采样，从而实时地生成补偿偏置电压，因此，利用本发明可以使得漏极电流一直保持恒定，从而使得放大器的静态工作点保持稳定。

根据本发明的一个优选实施例，偏置控制装置还可以包括一偏置控制触发单元3，用于将放大器的实时采样的漏极电流与先前采样的漏极电流相比较，并在实时采样的漏极电流大于先前采样的漏极电流的情况下才通知偏置控制装置或通知热耗散功率确定单元1进行运算以开始重新计算补偿偏置电压。也就是说，在实时采样的漏极电流保持稳定的情况下，可以不重新计算补偿偏置电压，而是继续使用现有参数，这样可以降低计算量，减少能耗。

根据本发明的一个实施例，偏置控制装置所生成补偿偏置电压为中频信号，一般地可以通过混频器将其混频到高频，再施加到放大器。

以上所述的偏置控制装置可以以硬件、软件或其组合的形式被实现在MR设备的RF放大器、激励器或其它部件中。例如，可以以FPGA(现场可编程门阵列)的形式来实现上述偏置控制装置，也可以以MR设备的中央处理器可以运行的计算机程序代码的形式来实现。

根据本发明的一个方面，提供一种用于稳定RF放大器的静态工作点的方法。图3示出了该方法的一个优选实施例的流程示意图。

步骤S301，对射频放大器的漏极电流进行实时采样。

步骤S302，判断该实时采样的漏极电流是否大于先前采样的漏极电流。如果大于，则进行步骤S303和步骤S304。

步骤S303，根据实时采样的漏极电流和射频放大器的源-漏极电压计算射频放大器的实时电源功率。

步骤S304，根据在MR设备的预扫描时得到的发射增益和放大器的输入功率计算放大器的有效功率。

步骤S305，根据实时电源功率和有效功率计算放大器的热耗散功率。

步骤S306，根据输入信号的占空比和脉冲持续时间确定放大器的等效热阻。

步骤S307，根据热耗散功率和等效热阻计算放大器的结温。

步骤S308，根据结温及放大器的热系数计算补偿偏置电压值。

步骤S309，将补偿偏置电压与原始偏置电压一起施加到放大器的栅-源极。

图4A-4B示出了运用本发明的技术前(图4A)、后(图4B)漏极电流的示意图。由图4可以看出，在运用本发明的技术后，漏极电流基本上保持恒定，即放大器的静态工作点保持稳定。

本发明的偏置控制技术使得对偏置控制的调整更快速更精确，并且可以补偿所有使用MR的应用，不管所使用的信号是脉冲还是正弦波或其它形状，也不管其占空比是多少。通过本发明，可以使得高功率的MR系统的RF放大器的静态工作点保持稳定，从而使得将诸如预失真的线性度技术运用到该RF放大器成为可能。

虽然上述已经结合附图描述了本实用新型的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对本实用新型进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。