磁共振主动式射频开关设计方法研究

黄清明，李想，郑刚

1.上海健康医学院医学影像学院，上海201318；2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093；3.上海市分子影像学重点实验室，上海201318；4.上海理工大学医学影像工程研究所，上海200093

前言

射频线圈电路中电感和电容为储能元器件，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）信号的采集并不是进入弛豫状态即刻开始的。射频脉冲发射结束后残余在射频线圈中的能量不会瞬间消失，需要一个振荡衰减的过程，振荡频率和即将接收的MRI信号频率一致，振荡幅值比MRI信号的幅值大得多，为避免振荡电流对MRI信号的干扰，必须等待振荡电流衰减到一定程度后才能开启射频接收通道对MRI信号进行采集［1］。从射频脉冲发射结束到开始MRI信号采集之间的时间称为射频线圈的死时间τ，另外，射频开关对射频发射通道和接收通道的切换也需要一定时间τ∗，因此，射频线圈的死时间τ和射频开关的切换时间τ∗共同构成了系统的延时时间Δt，即Δt=τ+τ∗。根据上述分析可知，当延时时间Δt小于弛豫时间T2，MRI信号在开始接收前不会衰减为零，系统才能够接收到该信号［2-4］。

换而言之，对于短弛豫时间信号，要获得其MRI信号，延时时间Δt必须尽可能小。根据射频系统的特性可知，可以从以下3个方面考虑缩短延时时间Δt：（1）增加射频线圈谐振电路的等效电阻，使能量在电阻上得以快速的消耗；（2）使射频线圈谐振电路失去谐振状态，振荡电流得以快速衰减；（3）提高射频开关的速度［5］。前两种方法是通过对谐振电路进行设计和性能分析以缩短射频线圈死时间τ；而第三种方法主要对射频开关电路进行设计和分析以提高射频开关速度，从而缩短射频开关的切换时间τ∗，为本研究的重点。传统射频开关采用被动开关设计，即由电长度传输线和二极管对结合的电路，切换时间τ∗为固定值，无法调整。本研究采用主动射频开关设计，即通过控制PIN二极管的导通和截止实现射频发射和接收切换的主动控制［6］。

1 MRI射频开关基本理论

射频（发射/接收）开关是射频功率放大器和射频线圈与低噪声前置放大器（Low Noise Amplifier，LNA）之间的连接通道，实现射频线圈在发射和接收两个状态之间的切换，从而达到发射通道和接收通路隔离的目的。MRI信号和射频脉冲信号的功率差异很大，前者功率通常为微瓦量级，而后者功率为瓦量级甚至千瓦量级，因此，在射频开关设计时，射频开关切换速度提高必须以射频开关有尽可能大的隔离度、尽可能小的插入损耗和噪声系数为前提［7］。

1.1 MRI射频开关的工作原理

图1 为MRI射频开关工作原理。射频开关由射频发射通道开关ST和射频接收通道开关SR组成，当MRI系统发射射频信号RF 时，发射通道开关ST闭合，处于导通状态，发射线圈处于谐振状态，射频信号RF 经发射通道到达发射线圈，产生射频磁场B1，此时接收通道SR断开，处于截止状态，接收线圈处于失谐状态，避免与发射线圈产生耦合。当开始接收MRI信号时，发射通道开关ST即刻断开，发射线圈处于失谐状态，发射线圈电容和电感的残余能量会迅速衰减，缩短了射频线圈的死时间τ，避免与接收线圈产生耦合，同时接收通道SR闭合，接收线圈处于谐振状态［8-10］。

图1 MRI射频开关工作原理Fig.1 Working principle of RF switch for MRI

图2 为被动式MRI射频开关电路结构。射频开关的断开和闭合是通过传输线和二极管对D2共同作用间接实现的。射频开关通常位于LNA 前端，在射频发射阶段，为防止射频脉冲的耦合，采用电长度传输线和限幅二极管D2实现对LNA 的保护以及射频线圈与LNA 的阻抗匹配。射频脉冲到达射频线圈的输入端同时，通过传输线到达LNA 输入端，此时D2导通，导通电阻很小，因此，传输线在射频线圈的输入阻抗较高，LNA 的电压为射频脉冲在D2导通电阻和LNA 阻抗的分压值，D2起到限制LNA 输入端电压的作用，故称为限幅二极管。因MRI信号微弱无法导通D2，故D2和传输线的存在不影响MRI信号的接收。通过调整由传输线制作的阻抗变换器实现输入阻抗与负载（LNA）阻抗匹配，实现噪声最佳匹配，使射频开关电路的噪声系数最低。同时网络是窄频带电路，一定范围内的频率呈现通路，频率范围以外信号将被衰减，对MRI信号采集过程的噪声信号起到抑制作用［11-13］。

图2 被动式MRI射频开关电路结构Fig.2 Passive MRI radio frequency switch circuit structure

1.2 MRI射频开关的性能参数

为减少射频开关电路的复杂性和非线性效应，简化电路的输入输出特性关系。通常用二端口网络模型代替射频开关电路，在射频段用散射参量S表征二端口网络（射频开关电路）的输入输出关系。隔离度和插入损耗是射频开关的重要性能指标，在二端口网络模型中分别用射频开关断开和闭合状态下的正向传输系数S21表示［14］。射频开关电路中的二极管无论处于导通还是截止状态，其阻抗都会对信号造成衰减，射频开关的性能评价指标主要有以下几个方面。

（1）隔离度。隔离度是指射频开关断开时，射频开关对信号的衰减程度，通常要求隔离度尽可能大，理想条件下的隔离度Iso→-∞。电路串联方式的隔离度［15］：

其中，Cj为反向偏置等效结电容，f为工作频率，Z0为电路特性阻抗。电路并联方式的隔离度:

其中，Rs为正向偏置等效电阻，Z0为电路特性阻抗。

（2）插入损耗。插入损耗是指射频开关闭合时，信号通过射频开关所产生的功率损耗，通常要求插入损耗尽可能小，理想条件下插入损耗IL = 0 dB。电路串联方式的插入损耗：

其中，Rs为正向偏置等效电阻，Z0为电路特性阻抗。电路并联方式的插入损耗：

其中，Cj为反向偏置等效结电容，f为工作频率，Z0为电路特性阻抗。

（3）切换速度。切换速度是指射频开关驱动电源切换到射频开关输出端产生响应的快慢程度，通常由电感电容组成的LC 偏置电路和二极管共同决定。电路在状态切换过程中，由于电荷的存储效应导致存在一定的延时量。

（4）电压驻波比。电压驻波比是输出端口与输入端口的特性阻抗之间阻抗匹配程度的评价指标，一般要求电压驻波比VSWR＜2。电压驻波比小，不代表插入损耗一定小，但是插入损耗小的射频开关，电压驻波比一定小，因此，电压驻波比只能作为射频开关性能评价的参考指标。

（5）功率容量。功率容量是指在额定条件下，射频开关能够承受的最大输入功率。由二极管自身的功率容量、串联或并联方式、散热条件和工作状态决定。

2 MRI射频开关设计

射频开关的主要作用是对射频线圈的发射模式和接收模式进行切换。当射频线圈处于发射状态时，射频发射开关闭合，使激励信号传输到发射线圈上，同时断开射频接收开关，保护前置放大器不受大功率的射频信号影响而损坏；当射频线圈处于接收状态时，射频发射开关断开，射频接收开关闭合，防止射频功放的噪声信号进入接收电路和射频线圈，使微弱的MRI信号以尽可能小的衰减到达前置放大器［16-18］。

图3 为主动式MRI射频开关设计方案，采用PIN二极管，通过直流驱动电路控制PIN二极管的导通和截止来实现射频开关的切换，从而实现对射频开关和开关状态的主动控制。直流驱动电路提供的直流偏置实现对PIN二极管导通和截止的控制，当驱动电路提供正向直流电流时，PIN 二极管处于导通状态，等效于电阻值很小的电阻；当驱动电路提供反向电压时，PIN 二极管处于截止状态，阻抗很大。在一定程度上，直流驱动电路的速度决定PIN二极管导通和截止的切换速度，进而决定射频开关的切换时间。因此，快速驱动电路的设计是射频开关切换速度提高的关键［19］。MRI射频开关性能设计目标参数见表1。

2.1 基于PIN二极管的主动式射频开关设计

图4 为基于PIN 二极管的可控射频开关设计。射频开关由发射通道开关ST、接收通道开关SR和电感电容组成的LC并联电路偏置网络组成。

图3 主动式MRI射频开关设计方案Fig.3 Active MRI radio frequency switch design scheme

表1 MRI射频开关性能设计目标参数Tab.1 Target parameters for performance design of RF switches for MRI

对于发射通道开关ST，电路核心元器件PIN二极管D1相当于直流控制开关，当直流驱动电路输出正向恒流时，PIN 二极管D1导通，发射通道开关ST开关闭合；当直流驱动电路输出负向恒压时，PIN 二极管D1截止，发射通道开关ST断开。对于接收通道开关SR，由二极管D2控制LNA的供电电源，当直流驱动电路输出正向恒压时，二极管D2导通，接收通道开关SR闭合，对LNA 进行供电，进入工作状态；反之，二极管D2截止，接收通道开关SR断开，LNA失电进入非工作状态。LC并联电路偏置网络起到隔离射频电路和直流驱动电路的作用，电容C1使直流驱动电路信号朝射频线圈方向流动，同时根据噪声匹配原则，C1电容值的选择应保证输入阻抗Zin等于特性阻抗Z0=50 Ω，使发射通道端口的正向传输系数S21，即插入损耗最小。MRI射频开关电路中D3由反向并联的二极管对组成，和传输线电路共同作用起到限制LNA输入端电压的作用。根据传输线阻抗变换原理，当大功率噪声信号由接收线圈进入接收通道开关SR时，D3导通出现短路，但是传输线电路在输入端的阻抗很高，大功率噪声信号在传输线电路处被阻隔而不能进入LNA，保护LNA 不受大功率噪声信号冲击而损坏；当MRI信号采集时，因其信号微弱无法导通D3，故传输线电路和D3的存在不影响MRI信号的采集［20-23］。MRI可控射频开关电路端口接线与功能见表2。

图4 基于PIN二极管的可控射频开关设计Fig.4 Design of active RF switch based on PIN diode

表2 MRI可控射频开关电路端口接线与功能Tab.2 Circuit port connection and function of active RF switch on MRI

2.2 基于场效应管的直流驱动电路设计

PIN 二极管的切换速度由自身性能和直流驱动电路的切换速度共同决定，因此，直流驱动电路加快了PIN 二极管切换速度，从而提高射频开关速度［17］。直流驱动电路主要为PIN 二极管提供正向偏置的直流正向恒流、正向恒压和反向偏置的直流负向恒压。直流驱动电路的切换速度是指电路输出的正负电源之间的切换速度。由MRI射频开关性能设计目标参数，射频开关的切换时间τ*≤3 μs，则直流驱动电路的切换时间应该更短，发射通道开关ST驱动电路输出电源为+1 A/-12 V，接收通道开关SR驱动电路输出电源为-8 V/+12 V。

根据上述射频开关电路结构对应的直流驱动电路分为发射通道开关ST驱动电路和接收通道开关SR驱动电路。除控制信号外，两部分完全独立、交替闭合和断开。图5 为基于场效应管的直流驱动电路设计，通过门控信号控制MOS 场效应管交替闭合和断开，实现发射通道开关ST驱动电路输出+1 A 恒流源或-12 V 恒压源，接收通道开关SR驱动电路输出-8 V恒压源或+12 V 恒流源，达到给射频开关提供直流电压或直流电流的目的［24］。

3 MRI主动式射频开关的性能测试

为了计算MRI射频开关电路中LC 并联偏置网络电感和电容，采用电子设计自动化软件对MRI射频开关进行辅助计算和性能仿真测试［25-26］。图6 为在发射通道开关ST不同状态下，电压驻波比VSWR和插入损耗IL随频率的变化曲线。

在发射通道开关ST断开状态下，端口RF IN和端口RF/DRV OUT 的电压驻波比VSWR1、VSWR2 和隔离度随频率的变化曲线如图6a、图6b、图6c 所示。工作频率f= 23 MHz时，VSWR1=675.655，VSWR2=3620.857，两个物理量的数值很大，说明此状态下射频开关电路的输入输出阻抗匹配程度很差，符合射频开关断开状态的电路特性；对应的散射参量S21代表射频开关的隔离度Iso= 39.906 dB，满足隔离度Iso≥35 dB的设计要求。

当发射通道开关ST闭合状态下，VSWR1、VSWR2 和插入损耗随频率的变化曲线如图6d、图6e、图6f所示。工作频率f=23 MHz时，VSWR1=1.03，VSWR2=1.03，说明射频开关电路的阻抗匹配特性良好，满足端口电压驻波比VSWR ＜1.5 的设计目标；对应的散射参量S21代表射频开关的插入损耗IL=0.138 dB，满足插入损耗IL ≤0.3 dB的设计要求。

接收通道开关电路中无PIN二极管，接收通道开关SR本身并不能主动断开和闭合，而是通过传输线电路和反向并联的二极管对D3共同作用间接实现的。图7 为接收通道开关端口的电压驻波比VSWR和插入损耗IL 随频率的变化曲线。工作频率f=23 MHz，端口SIG IN/DRV OUT 和端口SIG OUT 的电压驻波比分别为VSWR1=1.057，VSWR2=1.057，说明射频开关电路的阻抗匹配特性良好，满足端口电压驻波比VSWR＜1.5 的设计目标。对应的散射参量S21代表射频开关的插入损耗IL = 0.257 dB，满足插入损耗IL ≤0.3 dB的设计要求。

在门控信号的频率为1 kHz，占空比10%下，采用示波器测试上述设计的直流驱动电路和射频开关电路外接负载电阻R1= 10 Ω，R2= 50 Ω 两端的波形。在门控信号处于高电平状态下，根据RF OUT/DRV OUT 端口的输出波形可知，射频发射通道开关ST闭合至稳定时间约为2.9 μs，延迟时间约为1.5 μs，由于PIN二极管导通存在延时，射频开关闭合的时间较长，为消除延迟时间的影响，通常使门控信号提前大约1.5 μs处于高电平状态，射频发射通道开关ST闭合的时间缩短到1.4 μs，符合开关切换时间τ∗≤3 μs的设计要求。

图7 接收通道开关端口的电压驻波比VSWR和插入损耗IL随频率的变化曲线Fig.7 VSWR and insertion loss curve with frequency of switching ports in receiving channels

射频发射通道开关ST断开时间相对于其闭合时间对射频系统性能的影响更为关键。断开时间越短，射频发射线圈失谐越快，线圈残余能量衰减越快，死时间τ越短，接收通道开始采集MRI信号的时间越早，弛豫信号的衰减越小，MRI信号（图像）的质量越高。图8为射频发射通道开关ST的断开时间，沿波形开始下降到最低点需要的时间约为0.72 μs，此时间即为射频发射通道开关ST的断开时间，符合开关切换时间τ∗≤3 μs的设计目标。同理，通过示波器观察射频接收通道开关SR在SIG IN/DRV OUT 端口的输出波形，射频接收通道开关SR闭合至稳定时间约为1.1 μs，接收线圈通道闭合开始接收MRI信号，接收开关的闭合时间约为1.1 μs，符合开关切换时间τ∗≤3 μs 的设计要求。沿波形开始下降到最低点需要的时间约为0.65 μs，此时间即为射频接收通道开关SR的断开时间，符合开关切换时间τ∗≤3 μs 的设计目标。在接收完MRI信号之后发射线圈发射之前，接收线圈进入失谐状态，避免与发射线圈耦合。

图8 射频发射通道开关ST的断开时间Fig.8 Disconnection time of switch ST for radio frequency transmission channel

4 结论

射频（发射/接收）开关是射频功率放大器和射频线圈与LNA 之间的连接通道，实现射频线圈在发射和接收两个状态之间的切换，避免发射线圈和接收线圈发生耦合。对于短弛豫时间的MRI信号，射频开关的切换时间越短，发射线圈失谐越快，线圈残余能量衰减越快，死时间τ越短，接收通道开始采集MRI信号的时间越早，弛豫信号的衰减越小，MRI信号（图像）的质量越高。为缩短射频开关的切换时间，本研究在分析被动式MRI射频开关电路结构的基础上，采用PIN 二极管设计主动式MRI射频开关电路。采用电子设计自动化软件对射频开关电路的隔离度、插入损耗、电压驻波比等性能指标进行仿真分析，符合设计要求；采用示波器对由直流驱动电路和射频开关电路外接负载电阻的端口波形进行分析，射频开关的切换速度符合设计目标要求。基于PIN 二极管的射频开关能够有效地缩短射频开关时间，具有良好的隔离度、插入损耗和噪声系数等性能。