射頻接收單元以及包括該射頻接收單元的磁共振成像設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種射頻接收單元和包括該射頻接收單元的磁共振成像設(shè)備，其中，前述射頻接收單元包括混頻器、變壓器和模擬運算放大器?；祛l器將射頻信號下變頻到中頻，得到中頻信號。變壓器連接所述混頻器，放大所述中頻信號的電壓。模擬運算放大器連接所述變壓器，且放大所述中頻信號。所述射頻接收單元可用更低的功耗實現(xiàn)所需的高動態(tài)范圍。
【專利說明】
射頻接收單元從及包括該射頻接收單元的磁共振成像設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要設(shè)及信號處理領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種射頻接收單元，本發(fā)明還設(shè)及一種 磁共振成像設(shè)備，其包括前述的射頻接收單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁共振成像（MRI，Ma即etic Resonance Imaging)是核磁共振的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如 今磁共振成像設(shè)備已成為醫(yī)學(xué)臨床診斷和基礎(chǔ)科學(xué)研究的主要工具之一。磁共振成像儀的 基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氨原子核，引起氨原 子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氨原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收 的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經(jīng)計算機處理獲得圖像。
[0003] 磁共振成像設(shè)備中，射頻系統(tǒng)是實施射頻激勵并接收和處理射頻信號的功能單 元。射頻系統(tǒng)包括射頻發(fā)射單元和射頻接收單元。射頻發(fā)射單元在時序控制器的作用下， 產(chǎn)生各種符合序列要求的射頻脈沖的系統(tǒng)。射頻接收單元在時序控制器的作用下，接收人 體產(chǎn)生的磁共振信號。
[0004] 磁共振成像設(shè)備中的射頻接收單元借鑒了通信領(lǐng)域的射頻接收單元基本結(jié)構(gòu)，一 般地包括模擬混頻、射頻放大器等結(jié)構(gòu)。由于從射頻接收單元最前端的射頻接收線圈感 應(yīng)得到的信號都極其微弱，為了將信號放大到適應(yīng)后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍，至少需 要兩級放大。射頻接收單元將接收的射頻信號模擬混頻至相對低一些的頻段（例如大約 50MHz)之后用射頻放大器進行放大W及隔離跟隨。但射頻放大器屬于高功耗器件（工作電 流達到一百HlA左右），因而會造成接收電路功耗整體較高。同時一方面可能增加額外的散 熱結(jié)構(gòu)件的成本，另一方面帶來的發(fā)熱問題會降低電路板的穩(wěn)定性和壽命。
[0005] 在儀器儀表領(lǐng)域W及某些通信領(lǐng)域的射頻接收單元中，同樣存在降低接收電路功 耗的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種射頻接收單元，可用更低的功耗實現(xiàn)所需的 高動態(tài)范圍。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種射頻接收單元，包括混頻器、變壓器和模 擬運算放大器?；祛l器將射頻信號下變頻到中頻，得到中頻信號。變壓器連接所述混頻器， 放大所述中頻信號的電壓。模擬運算放大器連接所述變壓器，且放大所述中頻信號。 W08] 可選地，所述射頻信號的載波頻率為50-300MHZ，所述中頻信號的頻率為 0. 5-20MHZ?？蛇x地，所述中頻信號的頻率為0. 5-lOMHz。
[0009] 可選地，射頻接收單元還包括窄帶濾波器，其連接于所述混頻器的輸入端，用于抑 制雜散和噪聲。
[0010] 可選地，射頻接收單元還包括匹配網(wǎng)絡(luò)，連接于所述混頻器和所述變壓器之間。匹 配網(wǎng)絡(luò)可W將功率最大效率地從所述混頻器傳輸?shù)剿鲎儔浩鳌?br>[0011] 可選地，射頻接收單元還包括初級低噪聲放大器，連接在所述射頻接收單元的射 頻接收線圈和所述混頻器之間。
[0012] 可選地，射頻接收單元還包括次級放大器，連接在所述初級低噪聲放大器和所述 混頻器之間。
[0013] 可選地，所述模擬運算放大器被配置成在數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為打開狀態(tài)W及在未進 行數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為關(guān)斷狀態(tài)。
[0014] 可選地，所述混頻器為無源混頻器。
[0015] 可選地，所述變壓器的數(shù)量為一個或多個。
[0016] 可選地，所述模擬運算放大器的數(shù)量為一個。
[0017] 可選地，所述射頻信號為單端信號或差分信號。
[0018] 本發(fā)明還提出一種磁共振成像設(shè)備，包括一射頻系統(tǒng)，所述射頻系統(tǒng)包括如上所 述的射頻接收單元。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0020] 1)顯著降低電路功耗，進而提升電路硬件的可靠性，包含穩(wěn)定性和壽命；
[0021] 2)節(jié)約額外的用于散熱的結(jié)構(gòu)件成本，至少可W降低接收電路硬件散熱措施的難 度；
[0022] 3)可W通過單電源對模擬運算放大器進行供電，降低系統(tǒng)設(shè)計的外部供電要求， 降低設(shè)計復(fù)雜度W及多電源供電帶來的額外成本；
[002引 4)由于工作電路熱耗越小，工作溫度越低，模擬器件的性能越好，因此低功耗的電 路結(jié)構(gòu)也有助于提升射頻接收電路的噪聲系數(shù)指標(biāo)，進而提高整體動態(tài)范圍。
【附圖說明】
[0024] 圖1示出本發(fā)明第一實施例的射頻接收單元。
[00巧]圖2是本發(fā)明一實施例的模擬接收電路的結(jié)構(gòu)框圖。 陽0%] 圖3是本發(fā)明一實施例的模擬接收電路的電路圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明一實施例的變壓器組合結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖5是本發(fā)明另一實施例的模擬接收電路的電路圖。
[0029] 圖6是本發(fā)明第二實施例的射頻接收單元。
【具體實施方式】
[0030] 為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，W下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具 體實施方式作詳細說明。
[0031] 在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)W便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可W 采用其它不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限 制。
[0032] 通常而言，模擬混頻器下變頻后的中頻（I巧的頻率在仍高達幾十MHz,由于射頻 (R巧放大器可W適應(yīng)較高頻率范圍的信號放大，一直作為射頻接收的基本部件。因此傳統(tǒng) 射頻接收單元中模擬混頻器和射頻放大器組合的基本結(jié)構(gòu)能夠有效放大信號，滿足后級模 數(shù)轉(zhuǎn)換器大動態(tài)范圍的要求，但其代價是功耗也較高。本發(fā)明的實施例描述一種射頻接收 單元，它可W不必使用大功耗的射頻放大器。
[0033] 第一實施例
[0034] 圖1示出本發(fā)明第一實施例的磁共振成像設(shè)備的射頻接收單元。參考圖1所示，射 頻接收單元100將放在磁共振成像設(shè)備射頻接收鏈中描述。射頻接收單元100包括射頻接 收線圈101、低噪聲放大器102、窄帶濾波器103 W及模擬接收電路104。射頻接收單元100 通過射頻接收線圈101接收射頻信號，經(jīng)過處理后傳輸給后級的數(shù)字處理及控制電路200。 在射頻接收單元100中進行的是混頻及信號放大。低噪聲放大器102進行初級放大，然后 在模擬接收電路104進行混頻及進一步放大。在模擬接收電路104之前設(shè)置窄帶濾波器， W抑制雜散和噪聲。舉例來說，比如，射頻信號的頻率為64MHz，模擬接收電路104中混頻的 本地振蕩信號的頻率為65MHz，經(jīng)過混頻之后會有IMHz的目標(biāo)中頻信號。不過，頻率66MHz 處的噪聲/干擾/雜散也會被本地振蕩信號混頻到IMHz，因此需要在混頻之前通過一個窄 帶濾波器104使得64MHz信號通過而將66MHz過濾。窄帶濾波器104的帶寬可W根據(jù)具體 情形設(shè)置。
[00對圖2是本發(fā)明一實施例的模擬接收電路的結(jié)構(gòu)框圖。參考圖2所示，模擬接收電 路104主要包括混頻器201、變壓器202 W及模擬運算放大器203,=者依次連接?；祛l器 201負責(zé)將射頻信號下變頻至中頻，中頻IF = I LO-RFI )，LO為本地振蕩信號的頻率?；祛l 器201的本地振蕩信號由外部輸入?？蒞理解，混頻器201同時會產(chǎn)生額外的高頻鏡像（HF =L0+RF)，運部分不是所需的信號。
[0036] 混頻器201輸出的中頻信號將被進行放大。傳統(tǒng)射頻接收單元通常使用射頻放大 器，但是，如果選擇合適的本地振蕩信號，將經(jīng)過混頻器201后的中頻的頻率控制在合適的 頻率，就可W避免使用大功耗射頻放大器，而可W改用本實施例的模擬運算放大器203。具 體來說，可W設(shè)置合適的本地振蕩信號，W將經(jīng)過混頻器201后的中頻（I巧的頻率控制在 合適的低頻率。一方面，運一低頻率需要適應(yīng)模擬運算放大器中對大信號擺率的限制。另一 方面，由于模擬運算放大器203都有自身引入的低頻1處噪聲，且頻率越低該噪聲越嚴重， 因此中頻的頻率受到低頻1/f噪聲拐角頻率的限制又不能過低。
[0037] 混頻器201接收的射頻信號，頻率通常在50-300MHZ之間。相應(yīng)地，混頻后的中頻 可W在0. 5MHZ-20MHZ之間選取。較佳地，混頻后的中頻在0. 5MHZ-10MHZ之間選取。
[0038] 不同模擬運算放大器能夠工作的最高頻率有所不同，因此可W根據(jù)具體模擬運算 放大器203來選取合適的中頻。舉例來說，模擬運算放大器203的低頻1/f噪聲的邊界頻 率小于1曲Z。根據(jù)輸入射頻頻段的上下限RFmiyRFmgx,(其中，RFmm為下限，RFmgx為上限） 選擇合適的本振頻率L0,得到輸出中頻頻段的上限IFm。、。
[0039] 若 L0<RFmm，IFmax= RF max - LO ; 陽040]若 L0〉RFmax，IFmax= LO-RF m";
[0041] IFm。、要求大于模擬運算放大器的低頻1處噪聲邊界頻率；
[0042] IFm。、要求小于由于模擬運算放大器自身擺率（SR)，W及輸入信號s(t)峰峰值 (Vpp)的限制帶來的大信號上限頻率fmax要求：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 舉例：若 SR = lOOV/us，化P = 2. 7V，則得出：IFmax<ll. 8MHz。
[0047] 模擬運算放大器203可W放大中頻信號的功率。不過需要指出的是，由于后級電 路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器只識別電壓，而不是功率，因此不用消耗額外的靜態(tài)功耗進行功率放大， 而使用變壓器202來放大電壓，也可W達到很高的電壓增益和較小的等效輸入電壓噪聲。
[0048] 本實施例中，變壓器202設(shè)置在混頻器201和模擬運算放大器203之間。變壓器 202在最大信號輸入的情況下最好可W將電壓放大到后級電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入滿 量程附近。同時鑒于模擬運算放大器203的噪聲系數(shù)普遍差于射頻放大器，變壓器202的 另外一個作用是降低模擬運算放大器203帶來的等效輸入噪聲，即從變壓器202源端輸入 口向后看，理論上的等效輸入噪聲電壓為模擬運算放大器203輸入端噪聲電壓的1/M。而假 若將變壓器202置于模擬運算放大器203輸出之后，則模擬運算放大器203引入的噪聲功 率電壓會被放大M倍，進而惡化整個鏈路的噪聲系數(shù)。本實施例變壓器202與模擬運算放 大器203的組合在小于IOMHz的中低頻段的噪聲系數(shù)可W不差于射頻放大器。 W例作為示例，圖3是本發(fā)明一實施例的模擬接收電路的電路圖。參考圖3所示，Ul為 混頻器201，LI, Cl, C2組成匹配網(wǎng)絡(luò)，Tl為變壓器202, U2為模擬運算放大器203。運一電 路適應(yīng)于射頻信號為單端信號的情形。
[0050] 由于混頻器201為射頻器件，其輸出源阻抗為ZO狂0 -般為50ohm)，因此為了與后 端的模擬器件銜接需要配備匹配網(wǎng)絡(luò)，目的是從IF處向后看的等效阻抗也為Z0。
[0051] 此外，電容C3用于隔離直流信號。C4為旁路電容，置于U2的供電電源口。
[0052] 電阻R1，R2，R3為U2的輸入提供合適的直流偏置電壓，即U2正負供電電壓差的一 半附近。其中Rl和R2類似于分壓電阻，R3則用于補償U2正輸入端的靜態(tài)偏置電流帶來 的偏置電壓的偏差。Rl和R2的并聯(lián)R1//R2等效到Tl的源級輸入處為Rcff= R1//R2/M2， 若Tl為理想則Rwf= Z0,若非理想，則需要LI, Cl, C2組成的LC匹配網(wǎng)絡(luò)將非理想性補償 回來，最終是要保證從Ul的IF輸出向后看時，在IF頻段的S參數(shù)中的Sll能得到良好匹 配，即將反射功率降到最低。
[0053] 模擬運算放大器U2與反饋電阻R4 W及補償電容巧一起形成了閉環(huán)增益為1的跟 隨級，同時由于U2的極高輸入阻抗和極低的輸出阻抗，它同時也起到信號隔離的作用。另 夕F，由于該級為射頻接收單元100的末級，對于其自身引入的附加噪聲要求并不苛刻，因此 模擬運算放大器可W被列入末級放大的選擇范疇。但U2的噪聲仍需要盡量的低。
[0054] 電容C6作為隔直電容，防止U2會被負載帶走一部分靜態(tài)功耗。電阻R4作為U2 輸出的串聯(lián)電阻可W增加 U2電路的閉環(huán)穩(wěn)定性，同時也可W在U2輸出峰值電壓較大的情 況下將ADC輸入峰值電壓調(diào)整到合適的范圍內(nèi)，使其不至溢出。 陽化日]在電路中還包括與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)銜接的電路T2和F1。T2為己倫電路，可W 是電流型的，也可W是如圖中所示電壓型的。T2起到將單端信號轉(zhuǎn)為差分的作用，與后端的 抗混疊濾波器（為低通濾波器）Fl用于和高速ADC模擬差分輸入進行匹配。
[0056] 在圖3中，變壓器Tl的數(shù)量既可W是一個，也可W是如圖4所示的多個變壓器的 組合。
[0057] 圖5是本發(fā)明另一實施例的模擬接收電路的電路圖。參考圖5所示，Ul為混頻器， LI, Cl, L2和C2組成匹配網(wǎng)絡(luò)，Tl為變壓器，U2為模擬運算放大器。本實施例與圖3所示 實施例的主要不同之處在于，LI, L2, Cl, C2,與Tl共同組成了匹配/濾波網(wǎng)路。運一電路適 應(yīng)于輸入的射頻信號為差分信號的情形。
[0058] 模擬運算放大器203較佳地被配置成在數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為打開狀態(tài)，W及在未進 行數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為關(guān)斷狀態(tài)，W便進一步降低功耗。舉例來說，可W使用外部的控制信號 進行運一配置?；氐綀D1所示，數(shù)字信號處理及控制電路200可W根據(jù)重建軟件對于采集 數(shù)據(jù)的需求，在不采集數(shù)據(jù)時發(fā)出控制信號關(guān)斷模擬運算放大器203,僅在采集數(shù)據(jù)時發(fā)出 控制信號打開模擬運算放大器203。
[0059] 因此總結(jié)本發(fā)明的獨創(chuàng)性為：設(shè)置合適的本振化0)頻率，通過無源衰減器將射 頻信號降至相對較低的頻段，再通過變壓器陣列進行電壓放大，最后由單電源供電的帶關(guān) 斷模式的低噪聲模擬運算放大器進行跟隨和隔離，W適應(yīng)ADC的動態(tài)范圍W及顯著降低功 耗?；祛l器和變壓器陣列之間通過LC匹配網(wǎng)絡(luò)進行匹配，最終實現(xiàn)鏡像抑制，W及等效噪 聲抑制。
[0060] 在本實施例中，混頻器201的實施方式包括模擬混頻器和數(shù)字的硬核乘法器。模 擬混頻器進一步包括無源混頻器和有源混頻器。為了降低功耗，較佳地選擇無源混頻器。
[0061] 在本實施例中，模擬運算放大器203較佳地使用低噪聲模擬運算放大器。舉例來 說，可W選擇ADI公司的ADA4898-1，或者TI公司的LM冊624。
[0062] 在本實施例中，變壓器202較佳地選擇射頻變壓器。
[0063] 本實施例的射頻接收單元將普遍應(yīng)用于射頻電路的混頻器與普遍應(yīng)用于模擬寬 度小信號檢測電路的模擬運算放大器進行巧妙的銜接，運樣就可W實現(xiàn)極低的功耗。同時， 模擬運算放大器與變壓器合用之后就可W實現(xiàn)與射頻放大器相當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍。
[0064] 第二實施例 陽0化]圖6示出本發(fā)明第二實施例的磁共振成像設(shè)備的射頻接收單元。參考圖6所示， 射頻接收單元300包括射頻接收線圈301、低噪聲放大器302、窄帶濾波器303、模擬接收電 路304、射頻開關(guān)矩陣305 W及次級放大器306。射頻接收單元300通過射頻接收線圈301 接收射頻信號，經(jīng)過處理后傳輸給后級的數(shù)字處理及控制電路200。在射頻接收單元100中 進行的是混頻及信號放大。低噪聲放大器302進行初級放大，在次級放大器306中進行次 級放大。窄帶濾波器303在混頻前過濾雜散和噪聲。在模擬接收電路304中進行混頻及進 一步放大。在射頻開關(guān)矩陣305選擇所需的射頻通道。
[0066] 本實施例與第一實施例的主要區(qū)別在于增加了射頻開關(guān)矩陣305 W及次級放大 器306,其他細節(jié)與第一實施例相同，在此不再寶述。
[0067] 本發(fā)明的上述實施例的射頻接收單元，與已知射頻接收單元相比具有如下優(yōu)點：
[0068] 1)顯著降低電路功耗，進而提升電路硬件的可靠性，包含穩(wěn)定性和壽命；
[0069] 2)節(jié)約額外的用于散熱的結(jié)構(gòu)件成本，至少可W降低接收電路硬件散熱措施的難 度；
[0070] 3)可W通過單電源對模擬運算放大器進行供電，降低系統(tǒng)設(shè)計的外部供電要求， 降低設(shè)計復(fù)雜度W及多電源供電帶來的額外成本；
[0071] 4)由于工作電路熱耗越小，工作溫度越低，模擬器件的性能越好，因此低功耗的電 路結(jié)構(gòu)也有助于提升射頻接收電路的噪聲系數(shù)指標(biāo)，進而提高整體動態(tài)范圍；
[0072] 5)若選用帶關(guān)斷功能的模擬運算放大器，則可W數(shù)據(jù)采集W外的空閑時間控制模 擬運算放大器，使其處于斷電狀態(tài)，運樣就可W實現(xiàn)接收電路的低功耗。運對于真正采集數(shù) 據(jù)的時間相對于空閑時間比例極小的應(yīng)用場景十分有利，可W實現(xiàn)微功耗。
[0073] 本發(fā)明的射頻接收單元可W用于磁共振領(lǐng)域、儀器儀表領(lǐng)域（例如示波器）、通訊 領(lǐng)域W及其他合適的領(lǐng)域。
[0074] 雖然本發(fā)明已參照當(dāng)前的具體實施例來描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)認識到，W上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，在沒有脫離本發(fā)明精神的情況下還可作 出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實施例的變化、變 型都將落在本申請的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種射頻接收單元，包括： 混頻器，將射頻信號下變頻到中頻，得到中頻信號； 變壓器，連接所述混頻器，放大所述中頻信號的電壓；以及 模擬運算放大器，連接所述變壓器，放大所述中頻信號。2. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述射頻信號的載波頻率為 50-300MHZ，所述中頻信號的頻率為0. 5-20MHZ。3. 如權(quán)利要求2所述的射頻接收單元，其特征在于，所述中頻信號的頻率為 0.5-10MHz〇4. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，還包括窄帶濾波器，其連接于所述 混頻器的輸入端，用于抑制雜散和噪聲。5. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，還包括匹配網(wǎng)絡(luò)，其連接于所述混 頻器和所述變壓器之間。6. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，還包括初級低噪聲放大器，連接在 所述射頻接收單元的射頻接收線圈和所述混頻器之間。7. 如權(quán)利要求6所述的射頻接收單元，其特征在于，還包括次級放大器，連接在所述初 級低噪聲放大器和所述混頻器之間。8. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述模擬運算放大器被配置成在 數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為打開狀態(tài)以及在未進行數(shù)據(jù)采集時設(shè)定為關(guān)斷狀態(tài)。9. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述混頻器為無源混頻器。10. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述變壓器的數(shù)量為一個或多 個。11. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述模擬運算放大器的數(shù)量為一 個。12. 如權(quán)利要求1所述的射頻接收單元，其特征在于，所述射頻信號為單端信號或差分 信號。13. -種磁共振成像設(shè)備，包括一射頻系統(tǒng)，所述射頻系統(tǒng)包括如權(quán)利要求1-12任一 項所述的射頻接收單元。
【文檔編號】G01R33/36GK105988096SQ201510074033
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發(fā)明人】關(guān)曉磊, 周建帆, 夏翔
【申請人】上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司