磁共振主動式射頻開關設計方法研究

黃清明，李想，鄭剛

1.上海健康醫學院醫學影像學院，上海201318；2.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093；3.上海市分子影像學重點實驗室，上海201318；4.上海理工大學醫學影像工程研究所，上海200093

前言

射頻線圈電路中電感和電容為儲能元器件，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）信號的采集并不是進入弛豫狀態即刻開始的。射頻脈沖發射結束后殘余在射頻線圈中的能量不會瞬間消失，需要一個振蕩衰減的過程，振蕩頻率和即將接收的MRI信號頻率一致，振蕩幅值比MRI信號的幅值大得多，為避免振蕩電流對MRI信號的干擾，必須等待振蕩電流衰減到一定程度后才能開啟射頻接收通道對MRI信號進行采集［1］。從射頻脈沖發射結束到開始MRI信號采集之間的時間稱為射頻線圈的死時間τ，另外，射頻開關對射頻發射通道和接收通道的切換也需要一定時間τ?，因此，射頻線圈的死時間τ和射頻開關的切換時間τ?共同構成了系統的延時時間Δt，即Δt=τ+τ?。根據上述分析可知，當延時時間Δt小于弛豫時間T2，MRI信號在開始接收前不會衰減為零，系統才能夠接收到該信號［2-4］。

換而言之，對于短弛豫時間信號，要獲得其MRI信號，延時時間Δt必須盡可能小。根據射頻系統的特性可知，可以從以下3個方面考慮縮短延時時間Δt：（1）增加射頻線圈諧振電路的等效電阻，使能量在電阻上得以快速的消耗；（2）使射頻線圈諧振電路失去諧振狀態，振蕩電流得以快速衰減；（3）提高射頻開關的速度［5］。前兩種方法是通過對諧振電路進行設計和性能分析以縮短射頻線圈死時間τ；而第三種方法主要對射頻開關電路進行設計和分析以提高射頻開關速度，從而縮短射頻開關的切換時間τ?，為本研究的重點。傳統射頻開關采用被動開關設計，即由電長度傳輸線和二極管對結合的電路，切換時間τ?為固定值，無法調整。本研究采用主動射頻開關設計，即通過控制PIN二極管的導通和截止實現射頻發射和接收切換的主動控制［6］。

1 MRI射頻開關基本理論

射頻（發射/接收）開關是射頻功率放大器和射頻線圈與低噪聲前置放大器（Low Noise Amplifier，LNA）之間的連接通道，實現射頻線圈在發射和接收兩個狀態之間的切換，從而達到發射通道和接收通路隔離的目的。MRI信號和射頻脈沖信號的功率差異很大，前者功率通常為微瓦量級，而后者功率為瓦量級甚至千瓦量級，因此，在射頻開關設計時，射頻開關切換速度提高必須以射頻開關有盡可能大的隔離度、盡可能小的插入損耗和噪聲系數為前提［7］。

1.1 MRI射頻開關的工作原理

圖1 為MRI射頻開關工作原理。射頻開關由射頻發射通道開關ST和射頻接收通道開關SR組成，當MRI系統發射射頻信號RF 時，發射通道開關ST閉合，處于導通狀態，發射線圈處于諧振狀態，射頻信號RF 經發射通道到達發射線圈，產生射頻磁場B1，此時接收通道SR斷開，處于截止狀態，接收線圈處于失諧狀態，避免與發射線圈產生耦合。當開始接收MRI信號時，發射通道開關ST即刻斷開，發射線圈處于失諧狀態，發射線圈電容和電感的殘余能量會迅速衰減，縮短了射頻線圈的死時間τ，避免與接收線圈產生耦合，同時接收通道SR閉合，接收線圈處于諧振狀態［8-10］。

圖1 MRI射頻開關工作原理Fig.1 Working principle of RF switch for MRI

圖2 為被動式MRI射頻開關電路結構。射頻開關的斷開和閉合是通過傳輸線和二極管對D2共同作用間接實現的。射頻開關通常位于LNA 前端，在射頻發射階段，為防止射頻脈沖的耦合，采用電長度傳輸線和限幅二極管D2實現對LNA 的保護以及射頻線圈與LNA 的阻抗匹配。射頻脈沖到達射頻線圈的輸入端同時，通過傳輸線到達LNA 輸入端，此時D2導通，導通電阻很小，因此，傳輸線在射頻線圈的輸入阻抗較高，LNA 的電壓為射頻脈沖在D2導通電阻和LNA 阻抗的分壓值，D2起到限制LNA 輸入端電壓的作用，故稱為限幅二極管。因MRI信號微弱無法導通D2，故D2和傳輸線的存在不影響MRI信號的接收。通過調整由傳輸線制作的阻抗變換器實現輸入阻抗與負載（LNA）阻抗匹配，實現噪聲最佳匹配，使射頻開關電路的噪聲系數最低。同時網絡是窄頻帶電路，一定范圍內的頻率呈現通路，頻率范圍以外信號將被衰減，對MRI信號采集過程的噪聲信號起到抑制作用［11-13］。

圖2 被動式MRI射頻開關電路結構Fig.2 Passive MRI radio frequency switch circuit structure

1.2 MRI射頻開關的性能參數

為減少射頻開關電路的復雜性和非線性效應，簡化電路的輸入輸出特性關系。通常用二端口網絡模型代替射頻開關電路，在射頻段用散射參量S表征二端口網絡（射頻開關電路）的輸入輸出關系。隔離度和插入損耗是射頻開關的重要性能指標，在二端口網絡模型中分別用射頻開關斷開和閉合狀態下的正向傳輸系數S21表示［14］。射頻開關電路中的二極管無論處于導通還是截止狀態，其阻抗都會對信號造成衰減，射頻開關的性能評價指標主要有以下幾個方面。

（1）隔離度。隔離度是指射頻開關斷開時，射頻開關對信號的衰減程度，通常要求隔離度盡可能大，理想條件下的隔離度Iso→-∞。電路串聯方式的隔離度［15］：

其中，Cj為反向偏置等效結電容，f為工作頻率，Z0為電路特性阻抗。電路并聯方式的隔離度:

其中，Rs為正向偏置等效電阻，Z0為電路特性阻抗。

（2）插入損耗。插入損耗是指射頻開關閉合時，信號通過射頻開關所產生的功率損耗，通常要求插入損耗盡可能小，理想條件下插入損耗IL = 0 dB。電路串聯方式的插入損耗：

其中，Rs為正向偏置等效電阻，Z0為電路特性阻抗。電路并聯方式的插入損耗：

其中，Cj為反向偏置等效結電容，f為工作頻率，Z0為電路特性阻抗。

（3）切換速度。切換速度是指射頻開關驅動電源切換到射頻開關輸出端產生響應的快慢程度，通常由電感電容組成的LC 偏置電路和二極管共同決定。電路在狀態切換過程中，由于電荷的存儲效應導致存在一定的延時量。

（4）電壓駐波比。電壓駐波比是輸出端口與輸入端口的特性阻抗之間阻抗匹配程度的評價指標，一般要求電壓駐波比VSWR＜2。電壓駐波比小，不代表插入損耗一定小，但是插入損耗小的射頻開關，電壓駐波比一定小，因此，電壓駐波比只能作為射頻開關性能評價的參考指標。

（5）功率容量。功率容量是指在額定條件下，射頻開關能夠承受的最大輸入功率。由二極管自身的功率容量、串聯或并聯方式、散熱條件和工作狀態決定。

2 MRI射頻開關設計

射頻開關的主要作用是對射頻線圈的發射模式和接收模式進行切換。當射頻線圈處于發射狀態時，射頻發射開關閉合，使激勵信號傳輸到發射線圈上，同時斷開射頻接收開關，保護前置放大器不受大功率的射頻信號影響而損壞；當射頻線圈處于接收狀態時，射頻發射開關斷開，射頻接收開關閉合，防止射頻功放的噪聲信號進入接收電路和射頻線圈，使微弱的MRI信號以盡可能小的衰減到達前置放大器［16-18］。

圖3 為主動式MRI射頻開關設計方案，采用PIN二極管，通過直流驅動電路控制PIN二極管的導通和截止來實現射頻開關的切換，從而實現對射頻開關和開關狀態的主動控制。直流驅動電路提供的直流偏置實現對PIN二極管導通和截止的控制，當驅動電路提供正向直流電流時，PIN 二極管處于導通狀態，等效于電阻值很小的電阻；當驅動電路提供反向電壓時，PIN 二極管處于截止狀態，阻抗很大。在一定程度上，直流驅動電路的速度決定PIN二極管導通和截止的切換速度，進而決定射頻開關的切換時間。因此，快速驅動電路的設計是射頻開關切換速度提高的關鍵［19］。MRI射頻開關性能設計目標參數見表1。

2.1 基于PIN二極管的主動式射頻開關設計

圖4 為基于PIN 二極管的可控射頻開關設計。射頻開關由發射通道開關ST、接收通道開關SR和電感電容組成的LC并聯電路偏置網絡組成。

圖3 主動式MRI射頻開關設計方案Fig.3 Active MRI radio frequency switch design scheme

表1 MRI射頻開關性能設計目標參數Tab.1 Target parameters for performance design of RF switches for MRI

對于發射通道開關ST，電路核心元器件PIN二極管D1相當于直流控制開關，當直流驅動電路輸出正向恒流時，PIN 二極管D1導通，發射通道開關ST開關閉合；當直流驅動電路輸出負向恒壓時，PIN 二極管D1截止，發射通道開關ST斷開。對于接收通道開關SR，由二極管D2控制LNA的供電電源，當直流驅動電路輸出正向恒壓時，二極管D2導通，接收通道開關SR閉合，對LNA 進行供電，進入工作狀態；反之，二極管D2截止，接收通道開關SR斷開，LNA失電進入非工作狀態。LC并聯電路偏置網絡起到隔離射頻電路和直流驅動電路的作用，電容C1使直流驅動電路信號朝射頻線圈方向流動，同時根據噪聲匹配原則，C1電容值的選擇應保證輸入阻抗Zin等于特性阻抗Z0=50 Ω，使發射通道端口的正向傳輸系數S21，即插入損耗最小。MRI射頻開關電路中D3由反向并聯的二極管對組成，和傳輸線電路共同作用起到限制LNA輸入端電壓的作用。根據傳輸線阻抗變換原理，當大功率噪聲信號由接收線圈進入接收通道開關SR時，D3導通出現短路，但是傳輸線電路在輸入端的阻抗很高，大功率噪聲信號在傳輸線電路處被阻隔而不能進入LNA，保護LNA 不受大功率噪聲信號沖擊而損壞；當MRI信號采集時，因其信號微弱無法導通D3，故傳輸線電路和D3的存在不影響MRI信號的采集［20-23］。MRI可控射頻開關電路端口接線與功能見表2。

圖4 基于PIN二極管的可控射頻開關設計Fig.4 Design of active RF switch based on PIN diode

表2 MRI可控射頻開關電路端口接線與功能Tab.2 Circuit port connection and function of active RF switch on MRI

2.2 基于場效應管的直流驅動電路設計

PIN 二極管的切換速度由自身性能和直流驅動電路的切換速度共同決定，因此，直流驅動電路加快了PIN 二極管切換速度，從而提高射頻開關速度［17］。直流驅動電路主要為PIN 二極管提供正向偏置的直流正向恒流、正向恒壓和反向偏置的直流負向恒壓。直流驅動電路的切換速度是指電路輸出的正負電源之間的切換速度。由MRI射頻開關性能設計目標參數，射頻開關的切換時間τ*≤3 μs，則直流驅動電路的切換時間應該更短，發射通道開關ST驅動電路輸出電源為+1 A/-12 V，接收通道開關SR驅動電路輸出電源為-8 V/+12 V。

根據上述射頻開關電路結構對應的直流驅動電路分為發射通道開關ST驅動電路和接收通道開關SR驅動電路。除控制信號外，兩部分完全獨立、交替閉合和斷開。圖5 為基于場效應管的直流驅動電路設計，通過門控信號控制MOS 場效應管交替閉合和斷開，實現發射通道開關ST驅動電路輸出+1 A 恒流源或-12 V 恒壓源，接收通道開關SR驅動電路輸出-8 V恒壓源或+12 V 恒流源，達到給射頻開關提供直流電壓或直流電流的目的［24］。

3 MRI主動式射頻開關的性能測試

為了計算MRI射頻開關電路中LC 并聯偏置網絡電感和電容，采用電子設計自動化軟件對MRI射頻開關進行輔助計算和性能仿真測試［25-26］。圖6 為在發射通道開關ST不同狀態下，電壓駐波比VSWR和插入損耗IL隨頻率的變化曲線。

在發射通道開關ST斷開狀態下，端口RF IN和端口RF/DRV OUT 的電壓駐波比VSWR1、VSWR2 和隔離度隨頻率的變化曲線如圖6a、圖6b、圖6c 所示。工作頻率f= 23 MHz時，VSWR1=675.655，VSWR2=3620.857，兩個物理量的數值很大，說明此狀態下射頻開關電路的輸入輸出阻抗匹配程度很差，符合射頻開關斷開狀態的電路特性；對應的散射參量S21代表射頻開關的隔離度Iso= 39.906 dB，滿足隔離度Iso≥35 dB的設計要求。

當發射通道開關ST閉合狀態下，VSWR1、VSWR2 和插入損耗隨頻率的變化曲線如圖6d、圖6e、圖6f所示。工作頻率f=23 MHz時，VSWR1=1.03，VSWR2=1.03，說明射頻開關電路的阻抗匹配特性良好，滿足端口電壓駐波比VSWR ＜1.5 的設計目標；對應的散射參量S21代表射頻開關的插入損耗IL=0.138 dB，滿足插入損耗IL ≤0.3 dB的設計要求。

接收通道開關電路中無PIN二極管，接收通道開關SR本身并不能主動斷開和閉合，而是通過傳輸線電路和反向并聯的二極管對D3共同作用間接實現的。圖7 為接收通道開關端口的電壓駐波比VSWR和插入損耗IL 隨頻率的變化曲線。工作頻率f=23 MHz，端口SIG IN/DRV OUT 和端口SIG OUT 的電壓駐波比分別為VSWR1=1.057，VSWR2=1.057，說明射頻開關電路的阻抗匹配特性良好，滿足端口電壓駐波比VSWR＜1.5 的設計目標。對應的散射參量S21代表射頻開關的插入損耗IL = 0.257 dB，滿足插入損耗IL ≤0.3 dB的設計要求。

在門控信號的頻率為1 kHz，占空比10%下，采用示波器測試上述設計的直流驅動電路和射頻開關電路外接負載電阻R1= 10 Ω，R2= 50 Ω 兩端的波形。在門控信號處于高電平狀態下，根據RF OUT/DRV OUT 端口的輸出波形可知，射頻發射通道開關ST閉合至穩定時間約為2.9 μs，延遲時間約為1.5 μs，由于PIN二極管導通存在延時，射頻開關閉合的時間較長，為消除延遲時間的影響，通常使門控信號提前大約1.5 μs處于高電平狀態，射頻發射通道開關ST閉合的時間縮短到1.4 μs，符合開關切換時間τ?≤3 μs的設計要求。

圖7 接收通道開關端口的電壓駐波比VSWR和插入損耗IL隨頻率的變化曲線Fig.7 VSWR and insertion loss curve with frequency of switching ports in receiving channels

射頻發射通道開關ST斷開時間相對于其閉合時間對射頻系統性能的影響更為關鍵。斷開時間越短，射頻發射線圈失諧越快，線圈殘余能量衰減越快，死時間τ越短，接收通道開始采集MRI信號的時間越早，弛豫信號的衰減越小，MRI信號（圖像）的質量越高。圖8為射頻發射通道開關ST的斷開時間，沿波形開始下降到最低點需要的時間約為0.72 μs，此時間即為射頻發射通道開關ST的斷開時間，符合開關切換時間τ?≤3 μs的設計目標。同理，通過示波器觀察射頻接收通道開關SR在SIG IN/DRV OUT 端口的輸出波形，射頻接收通道開關SR閉合至穩定時間約為1.1 μs，接收線圈通道閉合開始接收MRI信號，接收開關的閉合時間約為1.1 μs，符合開關切換時間τ?≤3 μs 的設計要求。沿波形開始下降到最低點需要的時間約為0.65 μs，此時間即為射頻接收通道開關SR的斷開時間，符合開關切換時間τ?≤3 μs 的設計目標。在接收完MRI信號之后發射線圈發射之前，接收線圈進入失諧狀態，避免與發射線圈耦合。

圖8 射頻發射通道開關ST的斷開時間Fig.8 Disconnection time of switch ST for radio frequency transmission channel

4 結論

射頻（發射/接收）開關是射頻功率放大器和射頻線圈與LNA 之間的連接通道，實現射頻線圈在發射和接收兩個狀態之間的切換，避免發射線圈和接收線圈發生耦合。對于短弛豫時間的MRI信號，射頻開關的切換時間越短，發射線圈失諧越快，線圈殘余能量衰減越快，死時間τ越短，接收通道開始采集MRI信號的時間越早，弛豫信號的衰減越小，MRI信號（圖像）的質量越高。為縮短射頻開關的切換時間，本研究在分析被動式MRI射頻開關電路結構的基礎上，采用PIN 二極管設計主動式MRI射頻開關電路。采用電子設計自動化軟件對射頻開關電路的隔離度、插入損耗、電壓駐波比等性能指標進行仿真分析，符合設計要求；采用示波器對由直流驅動電路和射頻開關電路外接負載電阻的端口波形進行分析，射頻開關的切換速度符合設計目標要求。基于PIN 二極管的射頻開關能夠有效地縮短射頻開關時間，具有良好的隔離度、插入損耗和噪聲系數等性能。