基于FET主动控制的脉冲核磁共振射频开关电路

孙金水， 王秋良， 戴银明, 李 献

(中国科学院电工研究所， 北京 100190)

基于FET主动控制的脉冲核磁共振射频开关电路

孙金水， 王秋良， 戴银明, 李 献

(中国科学院电工研究所， 北京 100190)

核磁共振技术在工农业生产以及日常生活中都有广泛应用，如石油、天然气、地下水等物质的勘探以及食品化工行业中的在线无损检测等。本文主要介绍了一种新的脉冲核磁共振射频开关。核磁共振射频开关在核磁共振系统中起着重要作用，它能够实现发射通道与接收通道的切换。在核磁共振实验中，开关的切换时间以及死区时间的设定都非常重要，它们直接影响核磁共振信号的纯净度。本文在四分之一波长传输线设计方法的基础上，采用三极管和场效应管相结合的方法来控制开关切换时间，并通过电解电容充放电的方法实现了对死区时间的控制。

核磁共振； 射频开关； 死区时间

1 引言

核磁共振(NMR)是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用下，满足一定条件时所发生的共振吸收现象。核磁共振技术在物质结构鉴定、医学成像、无损检测和生化分析等领域已经得到广泛应用，已成为确定有机化合物特别是新有机化合物结构的最有力的工具之一。近60年来，核磁共振技术作为探索物质微观结构和性质的主要手段取得了惊人进展。

核磁共振技术又分为连续波核磁共振和脉冲核磁共振技术。脉冲核磁共振技术较之连续波核磁共振技术有以下优点[1]。

(1)脉冲强而窄，但频谱很宽。这等效于一个多通道频率发射机，它可以同时激励样品的所有频率。当接受机的带宽足够宽时它可以同时接受所有频率信号，这样可以减少实验时间。采用计算机技术把采样结果累加，可把核磁共振信号的信噪比提高几个数量级。

(2)脉冲核磁共振实验为测量弛豫时间提供了比连续波核磁共振技术更为精确的手段。

国外早在20世纪70年代就开始了低场核磁共振分析仪器的研制，比较有代表性的是德国的 Bruker公司。目前Bruker公司的最新产品 mq系列，其工作频率在2～65MHz范围内可调，并增加了互联网操作功能，可实现远程分析测量。国内目前还没有具有自主知识产权的中低场脉冲核磁共振分析测量仪器，因此研制具有自主知识产权的脉冲核磁共振分析测量仪成为急待解决的问题[2]。

2 脉冲核磁共振仪的构成

脉冲核磁共振仪主要由脉冲信号发射机、射频功率放大器、射频开关、探头、前置放大器、信号接收机以及DSP控制器等组成，如图1所示。

图1 脉冲核磁共振仪示意图Fig.1 Diagram of NMR spectrometer

从图中可以看出，发射机发出的脉冲信号经过滤波放大后通过射频开关进入射频线圈，激发样品发生核磁共振。在脉冲间隔期间，线圈又吸收样品释放的核磁共振信号，通过射频开关发送到前置放大器。其中，射频开关连接着发射机、射频线圈和接受机，在核磁共振实验中起着非常重要的作用。

3 射频开关工作方式

射频开关又称RF开关或T/R开关。在核磁共振系统中，激励线圈与发射线圈用的是同一个线圈，采用射频开关来切换线圈的发射模式和接收模式，如图2所示。因为这两个模式不能同时工作，射频开关在脉冲发射期间工作在发射模式，在回波信号接收期间则工作在接收模式。

图2 射频开关示意图Fig.2 Diagram of RF switch

设计射频开关时必须要考虑以下三个问题。

(1)发射模式下的射频脉冲信号功率非常大而核磁共振信号功率非常小，前者为千瓦级而后者为微瓦级。因此，在脉冲发射期间，射频开关必须保证前置放大器不被毁坏。

(2)无论保护措施做得多好前置放大器都可能过载，前置放大器都需要一定的恢复时间。

(3)探头线圈是一个调谐电路，脉冲信号过后会产生与核磁共振信号无关的振尾。如果脉冲结束后马上切换到接收模式，接收到的是与振尾混合的扭曲的信号。

在发射模式结束后需要一小段缓冲时间才能切换到接收电路，这段时间称为死区时间td，如图3所示。

图3 核磁共振波形示意图Fig.3 Diagram of NMR waveform

死区时间的设定直接影响到核磁共振信号的纯净度，如果死区时间设定不当，前置放大器接受到的是扭曲的非真实信号。死区时间td可取值为：

td=max(tp，tt，tr)

式中，tp为探头线圈振荡时间；tt为发射机响应时间；tr为接收机回复时间。通常tt比tp小得多，可以忽略不计。如果射频开关的保护措施很好可使tr=0，但这是不容易实现的。因为RF的脉冲电压可以达到几十伏甚至上百伏，而NMR信号为几毫伏，前置放大器的饱和电压一般为几十毫伏，所以射频开关对发射脉冲需要有非常高的隔离度。

为了实现接收机与发射机之间良好的分离，人们采用了很多方法，有采用四分之一波长传输线原理的被动方法，也有采用基于场效应管和二极管控制的主动方法。

4 射频开关的原理

本文中所设计射频开关建立在四分之一波长传输线理论的基础上，首先简要说明传输线方程以及四分之一波长理论[3]。

高频电路可看成由有限传输线段与各种分立有源和无源器件的集合。首先，我们着眼于一个负载阻抗和一个长度为l的有限传输线段相连的结构，如图4所示。假设负载位于z=0处，电压波从z=-l处进入线路，由于电路参数不同，如同光从一种介质进入另一种介质会存在反射一样，电压波在z=0处也会存在反射，引入反射系数Γ0，它表示反射波电压与入射波电压之比：

式中，V-为反射波电压；V+为入射波电压。

图4 传输线示意图 Fig.4 Schematic diagram of transmission line

在负载位置z=0处，电压和电流波可以用反射系数表示为：

(1)

(2)

式中，Z0为与频率无关的传输线的特征阻抗；k为复传播常数，它只与传输线类型有关。

式(1)除以式(2)可以得到沿z轴任意点的阻抗。在z=-l处的总输入阻抗记作Zin；在z=0处阻抗称为负载阻抗，其表达式为：

(3)

由此得出：

(4)

在z=0处，如果开路(ZL趋向于无穷大)，则反射系数为1，表示反射波与入射波有同样的极性和幅值；如果短路(ZL=0)，则反射系数为-1,表示反射波与入射波极性相反幅值相同；当ZL=Z0时，反射系数为零，表示没有反射，入射电压完全被负载吸收。

在z=d的一般情况下，如果不考虑传输线损耗，通过计算可以得出：

(5)

式中，β为无损线路的传输常数，它可以用频率和相速度或者波长来表示：β=2πf/v=2π/λ。

假设ZL=0，则Z(d)=jZ0tan(βd)，而β=2π/λ，所以Z(d)的大小会随着距离的增加呈现周期性的变化。当d=λ/4时，Z(d)趋向无穷大，如同开路一样，这就是四分之一波长线理论。

在中低频核磁共振系统中，射频开关通常采用基于四分之一波长传输线和二极管对相结合的被动开关方案[4]，如图5所示。

图5 射频开关原理图Fig.5 Traditional RF switch

图5中，a和b两点之间是一段四分之一波长的传输线，a端是信号输入端，b端是负载端。

NMR探头线圈是一个工作在中心频率的谐振线圈，其谐振频率大小取决于磁场强度的大小。前置放大器属于宽带放大器，发射机、探头和前置放大器都被匹配成与传输线相同的输入阻抗(50Ω)。在射频脉冲期间，发射机发送功率到a点时，由于探头线圈与发射机输出端匹配(ZL=Z0)，不存在反射。而射频脉冲期间二极管D3和D4导通，由于二极管的导通电阻非常小，所以在b点ZL≈0，根据四分之一波长传输线原理，传输线的输入端阻抗无穷大，相当于开路，所以射频功放的输出功率都进入到探头线圈中。

当脉冲信号结束，探头发出来自样品的核磁共振信号。由于核磁共振信号只有几毫伏电压，无法使二极管D3和D4的导通，传输线b端的阻抗为前置放大器的输入阻抗，而前置放大器与探头线圈相匹配(ZL=Z0)，所以前置放大器能完全吸收探头线圈发出的核磁共振信号。

以上为最简单的射频开关，这种射频开关无法控制开关的死区时间，容易在NMR信号混入噪声，影响信号质量，对前级放大器的保护不周全，影响前级放大器的使用寿命。

5 主动控制的射频开关电路

在这种简单的射频开关的基础上，本文提出了一种基于FET主动控制的射频开关电路。其基本思想是增加了门控电路以实现对开关死区时间的控制，如图6所示。

图6 主动控制的射频开关电路Fig.6 Active RF switch circuit

在主传输线电路中，通过固定电容C1和可变电容C2将核磁共振线圈电感L调谐到所需要的工作频率，通过C3使探头线圈与脉冲信号发射电路和接收电路的前置放大器实现阻抗匹配，即射频线圈工作在发射模式和接受模式时，能够充分吸收射频信号的功率和发送核磁共振信号。

在主传输线电路的λ/4波长传输线后面增加一个N沟道场效应管J108，它在0V时能正常导通，在-5V时截止。通过对双极晶体管2N3906和与之并联的电解电容C4的充电来改变J108的栅极电压，实现对J108的控制。J108和2N3906及其外围电路组成了射频开关的控制电路，在控制电路的输入端输入TTL波形，如图7所示。

图7 射频脉冲和TTL波形Fig.7 RF pulse and TTL waveform

在射频脉冲期间，控制电路输入端为低电平，三极管2N9306导通，电容C4相当于被短路，电容C4两端的电压为零，J108导通，图6中四分之一波长传输线的负载端b点接地。根据四分之一波长传输线理论，a点向右的输入阻抗无穷大，实现了射频脉冲和前置放大器的隔离，保护了前置放大器。该电路设计的另外一个优点是，即使场效应管出现问题，D3和D4二极管对也会对前置放大器进行保护。

在射频脉冲结束的同时控制电路输入端输入TTL高电平，三个1N4148二极管可滤除小的噪声干扰，防止一些非TTL信号的噪声影响了三极管工作。在TTL高电平的作用下三极管截止，电容C4相当于直接连接在直流电源上，C4开始由-15V电源充电，当C4两端的电压为-5V时，J108截止。而此时探头线圈发出的核磁共振信号非常小，根本不足以使D3和D4导通，所以四分之一波长传输线的负载端直接连在前置放大器上，前置放大器与探头线圈阻抗匹配，即满足ZL=Z0，此时来自探头的核磁共振信号在b点的反射系数为零，前置放大器能够充分接受核磁共振信号。

C4充电由0V变为-5V需要的时间正好为死区时间td。在td期间，J108将探头线圈接地，探头线圈能够释放残余能量，而前置放大器被短路，避免接受到探头线圈释放的夹杂残余能量的磁共振信号。当C4充电到-5V时J108截止，此时前置放大器开始工作并且接收到的是纯净的核磁共振信号。

死区时间的长短可以通过改变电容C4的大小来控制。NMR试验中CuSO4溶液的横向弛豫时间为110ms[5]，可以选择td为5～10ms，射频脉冲的持续时间为5ms。当选择电容C4为300nF时，仿真得到电容电压变化如图8所示。

图8 C4=300nF时其两端的电压变化Fig.8 Change of its voltage when C4=300nF

从图8中可以看出，在5ms的射频脉冲期间，开关电路的控制输入端为低电平，2N3906导通，C4两端电压为零。脉冲结束后，在开关电路控制端输入TTL高电平，2N3906截止，C4直接连接到-15V电源上，C4两端电压开始改变。当C4两端电压变为-5V时，J108截止，核磁共振信号接收开始，从5ms时脉冲结束到12ms信号接收开始的时间约为7ms，实现了对死区时间的控制。

6 结论

本文在传统射频开关原理基础上，提出了一种采用三极管、场效应管和电解电容的主动控制电路，实现了对射频开关死区时间的控制。与传统的射频开关相比，该电路不仅能更有效地保护前置放大器，还能通过对死区时间的控制和调节来提高核磁共振实验信号的纯净度。

[1] 初振东(Chu Zhendong).核磁共振分析测量仪的电路设计(Circuit design for analysis and measuring instrument of NMR system)[D]. 沈阳：沈阳工业大学(Shengyang: Shenyang University of Technology), 2013. 2.

[2] 张一鸣，骆逸峰(Zhang Yiming,Luo Yifeng).低场脉冲核磁共振分析测量仪及其应用(The aplication of low-field pulsed nuclear magnetic resonance system)[J].现代科学仪器(Modern Scientific Instruments)，2003，1(2):52-54.

[3] 尹帅(Yin Shuai).基于PIN管的大功率射频开关研制(Research and design of high power capacity RF switch based on PIN diode)[J].计算机与数字工程(Computer and Digital Engineering),2013,40(3):121-123.

[4] Aktham Asfour, Kosai Raoof, Jean-Paul Yonnet. Software defined radio (SDR) and direct digital synthesizer (DDS) for NMR/MRI instruments at low-field[J]. Sensors, 2013, 13(12):16245-16262.

[5] 陈翊平，邹明强，王大宁(Chen Yiping, Zou Mingqiang, Wang Daning).1.5T核磁共振弛豫时间分析仪的研制及其潜在应用(Development and its potential application of low-field nuclear magnetic resonance instrumentation)[J].光谱学与光谱分析(Chinese Journal of Analysis Laboratory), 2012,31(1):119-122.

NMR RF switch circuit based on FET control

SUN Jin-shui, WANG Qiu-liang, DAI Yin-ming, LI Xian

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

NMR technology is widely used in industrial and agricultural production and daily life. For example, it can be used for the exploration of oil, natural gas, groundwater and other material, or nondestructive testing of food chemical industry. In this article a new RF switch used in the NMR system is introduced. The RF switch plays an important role in the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) system. Its function is to switch between the RF transmitting path and the NMR signal receiving path in the NMR system. In the NMR experiment, the switching time and the dead time are very important and they directly affect the purity of the NMR signal. In this paper, a new method based on the traditional quarter-wavelength transmission line is proposed to control the switching time by a combination of transistor and FET circuit, while the dead time can be regulated by means of the charging and discharging of an electrolytic capacitor.

NMR; RF switch; dead time

2015-03-19

孙金水(1988-)， 男， 山东籍， 硕士研究生， 研究方向为核磁共振系统谱仪设计； 戴银明(1965-)， 男， 山东籍， 研究员， 研究方向为超导磁体。

TN482.53

A

1003-3076(2016)03-0076-05