一种高场核磁共振波谱仪X核通道宽带前置放大器 【技术领域】
本发明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X核通道高灵敏度和高稳定性的宽带前置放大器。
背景技术
X核通道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，用于检测碳、磷、氮等杂核的磁共振信号，是一种频率范围很宽的前置放大器。由于核磁共振波谱仪射频前端在脉冲发射和信号接收时分时共用接入探头的传输通道，因此前置放大器通常包括射频发射开关和小信号低噪声放大两大功能。在射频脉冲发射期间，作为发射通道的前端，经过射频开关将高功率脉冲送给探头线圈；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混频器。X核通道前置放大器噪声性能对整个接收机的杂核信号接收信噪比有决定性的作用，直接影响到谱仪最终实验灵敏度指标，因此要求X核通道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微伏(uV)数量级，这就要求X核通道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。X核通道前置放大器的高性能要求主要表现在：
1.在谱仪处于接收状态期间，自由感应衰减信号经过放大前端保护电路以及低噪声放大电路，送到混频器，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；
2.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；
3.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，因此要求低噪声放大电路具有可靠的线性范围；
4.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；
5.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；
6.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。
核磁共振波谱仪属于高端大型科学仪器，技术含量高，应用范围广泛，高场核磁共振波谱仪X核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。例如，美国Varian公司的高场核磁共振波谱仪X核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和故障提示，且工作频带内射频开关隔离度、放大增益的带内平坦度不够高；而德国Bruker公司的高场核磁共振波谱仪X核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，国外已报道的核磁共振仪器X核通道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和放大前端高功率射频保护部。例如：2006年获批的美国专利“LOW-NOISE PREAMPLIFIER，IN PARTICULAR，FOR NUCLEAR MAGNETICRESONANCE(NMR)”(专利号为US7123090B2)和1996年获批的美国专利“PREAMPLIFIERCIRCUIT FOR MAGNETIC RESONANCE SYSTEM”(专利号为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和放大前端高功率射频保护电路；文献“C Huan，S.S.Kim，L.Phelps，J.S.Xia，D.Candela andN.S.Sullivan.A Novel Design of a Low Temperature Preamplifier for Pulsed NMR Experiments ofDilute 3He in Solid 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，与上述专利类似。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种结构简单、噪声系数较低、带内增益平坦度较高、放大线性范围较大、射频开关收发切换速度较快、截止隔离度较高、工作状态检测功能准确较灵敏、稳定性较好的高场核磁共振波谱仪X核通道宽带前置放大器。
本发明设有射频开关控制电路、射频开关电路、直流偏置电路、放大前端保护电路、四分之一波长线、低噪声放大电路、输出匹配网络和工作状态检测电路。
射频开关控制电路的射频开关控制电平输出端分别接射频开关电路的射频开关控制电平输入端和放大前端保护电路的输入端，放大前端保护电路的另一输入端外接四分之一波长线的一端口，四分之一波长线的另一端口外接探头，低噪声放大电路的输入端接放大前端保护电路的输出端，低噪声放大电路的输出端接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端外接下一级部件，射频开关电路输入端外接射频功率放大器输出端口，射频开关电路的输出端外接探头，工作状态检测电路通过接口与开关信号发生器相连，工作状态检测电路地射频开关控制电平信号输出端接射频开关控制电路的工作状态检测信号输入端，直流偏置电路分别与低噪声放大电路和工作状态检测电路连接。
所述四分之一波长线可采用四分之一波长同轴线。
所述射频开关电路和射频开关控制电路组成一块电路，放大前端保护电路、低噪声放大电路和输出匹配网络组成一块电路，工作状态检测电路为一块电路，每块电路之间由屏蔽腔隔离。
所述射频开关电路可采用两级串联PIN二极管；所述低噪声放大电路可采用两级放大电路结构，第一级放大电路可采用低噪声放大电路，第二级放大电路可采用硅双级达林顿放大管；所述放大前端保护电路可采用三级并联PIN二极管结构；所述工作状态检测电路可采用正负电流检测结构，通过LED显示工作状态，设置不同的故障状态电阻比例，可准确可靠地反映前置放大器的工作状态以及故障情况。
由于本发明将高功率的射频开关电路和射频开关控制电路组成一块电路，低噪声的小信号通道放大前端保护电路、低噪声放大电路和输出匹配电路组成一块电路，工作状态检测电路为一块电路，而且每块电路之间由屏蔽腔隔离，因此将信号的互相干扰减小到最低。由于工作状态检测电路采用正负电流检测结构，通过LED显示工作状态，设置不同的故障状态电阻比例，因此可准确可靠地反映前置放大器的工作状态以及故障情况。
由于采用了上述结构与电路，因此本发明具有噪声系数低、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、结构简单等优点，可满足现代高场核磁共振波谱仪X核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。
【附图说明】
图1为本发明实施例的结构组成框图。
图2为本发明实施例的低噪声放大电路图。
图3为本发明实施例的放大前端保护电路图。
图4为本发明实施例的高功率射频开关电路图。
图5为本发明实施例的射频开关控制电路图。
图6为本发明实施例的工作状态检测电路图。
图7为本发明实施例在发射状态下，当四分之一波长线中心频率为205MHz时，射频功率放大器输出端口P3至探头P1的传输特性仿真结果图。在图7中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至P1端口的传输特性(dB)。
图8为本发明实施例在发射状态下，四分之一波长线中心频率为125MHz时，射频功率放大器输出端口P3至探头P1的传输特性仿真结果图。在图8中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至P1端口的传输特性(dB)。
图9为本发明实施例在发射状态下，四分之一波长线中心频率为30MHz时，射频功率放大器输出端口P3至探头P1的传输特性仿真结果图。在图9中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至P1端口的传输特性(dB)。
图10为本发明实施例在发射状态下，四分之一波长线中心频率为205MHz时，输出驻波仿真结果图。在图10中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为输出驻波比。
图11为本发明实施例在发射状态下，四分之一波长线中心频率为205MHz时，输入驻波仿真结果图。在图11中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为输入驻波比。
图12为本发明实施例在接收状态下，稳定系数仿真结果图。在图12中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为稳定系数。
图13为本发明实施例在接收状态下，噪声系数仿真结果图。在图13中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为噪声系数(dB)。
图14为本发明实施例在接收状态下，功率增益仿真结果图。在图14中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为功率增益(dB)。
图15为本发明实施例在接收状态下，输出驻波仿真结果图。在图15中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为输出驻波。
图16为本发明实施例在接收状态下，射频功率放大器输出端口P3至探头P1的传输特性仿真结果图。在图16中，横坐标为频率(MHz)，纵坐标为P3端口至P1端口的传输特性(dB)。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作详细介绍。
如图1所示，本发明实施例设有射频开关控制电路1、射频开关电路2、直流偏置电路3、放大前端保护电路4、四分之一波长线5、低噪声放大电路6、输出匹配网络7和工作状态检测电路8。
射频开关控制电路1的射频开关控制电平输出端分别接射频开关电路2的射频开关控制电平输入端和放大前端保护电路4的输入端，放大前端保护电路4的另一输入端外接四分之一波长线5的一端口P5，四分之一波长线5的另一端口P4外接探头P1，低噪声放大电路6的输入端接放大前端保护电路4的输出端，低噪声放大电路6的输出端接输出匹配网络7的输入端，输出匹配网络7的输出端外接下一级部件(混频器)，射频开关电路2输入端外接射频功率放大器输出端口P3，射频开关电路2的输出端外接探头P1，工作状态检测电路8通过接口J1和J2与开关信号发生器相连，工作状态检测电路8的射频开关控制电平信号输出端接射频开关控制电路1的工作状态检测信号输入端，直流偏置电路3分别与低噪声放大电路6和工作状态检测电路8连接。
所述四分之一波长线5采用四分之一波长同轴线。
本发明包括大信号高功率电路、小信号低噪声放大电路和工作状态检测电路三块电路。大信号高功率电路包括射频开关电路1和射频开关控制电路2，射频开关控制电路2由电阻网络组成。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6和输出匹配网络7。大信号高功率电路、小信号低噪声放大电路和工作状态检测电路三块电路分别装于屏蔽盒的三个屏蔽腔内，互相隔离，避免干扰。
所述射频开关电路可采用两级串联PIN二极管；所述低噪声放大电路可采用两级放大电路结构，第一级放大电路可采用低噪声放大电路，第二级放大电路可采用硅双级达林顿放大管；所述放大前端保护电路可采用三级并联PIN二极管结构；所述工作状态检测电路可采用正负电流检测结构，通过LED显示工作状态，设置不同的故障状态电阻比例，可准确可靠地反映前置放大器的工作状态以及故障情况。
本发明设有5个信号端口。当系统处于接收状态时，探头P1检测到的自由感应衰减信号由探头P1输出端口送入射频开关电路2和四分之一波长线5的一端口P4，四分之一波长线5的另一端口为P5。输出匹配网络7的输出端口P2外接至下一部件(混频器)。当系统处于发射状态时，功放送来的射频脉冲由射频功率放大器输出端口P3传入本发明的射频开关电路2，经过射频开关电路送至探头P1。射频开关控制电平信号由端口J1输入，直流偏置电路3的供电和工作状态检测电路8的供电由端口J2输入。
放大前端保护电路4的另一输入端外接四分之一波长线5的一端口P5，四分之一波长线5的另一端口P4外接探头P1，低噪声放大电路6的输入端接放大前端保护电路4的输出端，低噪声放大电路6的输出端接输出匹配网络7的输入端，输出匹配网络7的输出端外接下一级部件，射频开关电路2输入端外接射频功率放大器输出端口P3，射频开关电路2的输出端外接探头P1，工作状态检测电路8通过接口J1和J2与开关信号发生器相连。
参见图2，低噪声放大电路中采用两级放大结构，第一级采用低噪声放大器，如：安捷伦公司的MGA62563，其20～400MHz范围内噪声系数均在1dB以下，具有较高的动态范围，且在高场核磁共振波谱X核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3为放大前端保护电路，采用三级并联PIN二极管结构，其中之一波长线和PIN3构成第一级保护，四分之一波长线由P4和P5端口接入。当谱仪处于发射状态时，3A、4A和5A端为正电平(如：+4.5V～+5V)，PIN3、CR1、CR2、CR3和CR4导通，C3、C5、C6、C8和C9形成高频接地，构成三级并联PIN二极管保护电路，此时在P5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。由于各种杂核的共振频率不同，且差异较大，因此检测不同核时需换接不同长度的四分之一波长线，从而在各核的频率点上达到最佳的高频断路状态。当谱仪处于接收状态时，3A、4A和5A端为负电平(如：-10V～-15V)，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。图中旁路高阻值电阻R35、R36、R37、R38为并联电容提供放电通路，加速放电过程并抑制LC振荡，从而提高开关特性。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4中两级PIN二极管为串联接法，构成两级串联高功率射频开关电路，PIN二极管选用高功率PIN开关二极管。当谱仪处于发射状态时，1A和2A端为正电平(如：+4.5V～+5V)，PIN1和PIN2导通，此时射频脉冲通过射频开关电路送到探头P1。当谱仪处于接收状态时，1A和2A端为负电平(如：-10V～-15V)，二极管截止，接收信号将不能通过此通道，且截止隔离度高，能够有效的抑制高功率射频脉冲的意外泄漏，保证良好的接收状态。通过调整图5中电阻R1、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。
图5为射频开关控制电阻网络。开关控制信号由7B端输入，经过各电阻分别由1B和2B端送给射频快关电路，由3B、4B和5B端送给放大前端保护电路。通过改变各电阻值可改变流经射频开关电路和保护电路的控制电流，从而调整射频开关切换的性能。
图6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的输出为低电平，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R15两端的负电流大于所设定阈值时，U4的输出为高电平，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。调节R34，可调节U4的输出电压。通过设置R13和R14两个电阻的阻值来设定U7的输出电压，即U8的参考电压。U6的功能为检测射频开关控制信号的正电流和放大电路工作的正电流，利用其内部的5个电流比较器，设置两路负载检测，R15和R16为这两路负载的电流检测电阻。当流过R15和R16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11V，可驱动LED红灯亮。7A和8A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软件对本发明的高场核磁共振波谱仪X核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20～280MHz，仿真结果如图7和图8所示，结果为：
(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，实现了工作频带内噪声系数＜1.2dB(纯电路噪声系数不考虑连接损耗)，稳定系数K＞1，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＞40dB。
(2)发射通道电路的S参数仿真分析结果显示：通过优化，实现了带内插入损耗＜0.3dB，带内输入输出驻波比＜1.5，放大前端带内保护隔离度＞50dB。
本发明的X核通道前置放大器电路主要性能实测结果为：
(1)接收通道电路的实测结果：实现带内噪声系数＜1.3dB，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。
(2)发射通道电路的实测结果：实现了工作频带内插入损耗小于0.3dB，带内输入输出驻波比＜1.5，放大前端带内保护隔离度＞45dB。