核磁共振射频功率放大器的设计与分析

摘要

核磁共振成像(MRI)具有分辨率高、多轴成像、无放射性等优点,逐渐成为医学成像的重要发展方向之一。目前国内的MRI系统主要依赖进口,研究性能稳定,价格适中的MRI系统对提高我国医疗水平具有重要作用。
　　射频功率放大器属于MRI系统的关键部件。随着MRI成像要求的不断提高,对射频功率放大器的性能提出了更高的要求。射频功率放大器的设计技术发展迅速,但对包括功率器件和电路设计的研究,目前国外走在了前面。在MRI的射频功率放大器研究中,如何提高线性度和效率等依然是研究中的热点。
　　本文针对1.5T MRI系统的特点,完成了射频功率放大器的系统方案设计。通过三级功率放大器的级联和外围控制电路的控制,实现对射频信号的功率放大,并对关键模块进行了硬件电路设计和软件验证分析。本文的主要设计内容包括:
　　1.第一级和第二级功率放大器对射频信号进行初步放大。第一级功率放大器选用集成的功放芯片,极大方便了电路设计。第二级功率放大器是基于LDMOS MRF6V2150N的固态功率放大电路,具有大功率、高线性度的优点,并且选择了反馈结构来优化增益平坦度和输入输出驻波比。利用ADS对第二级功率放大器进行优化设计,结果显示在工作频带内输出功率超过48dBm,谐波抑制、功率附加效率PAE和输入输出驻波比也达到了指标要求。第二级功率放大器设计还包括热设计,而实验板的初步结果表明散热和波形失真在设计范围内。
　　2.外围控制电路包括频率检测电路、射频开关和压控衰减器三个模块,这三个模块一起控制功放电路工作。具体来说,利用PLL技术的频率检测电路能检测射频信号的工作频率;基于PIN二极管的射频开关属于单刀双掷开关,可以控制两个第二级功放模块的工作状态;而压控衰减器可以通过控制电压调节信号的功率大小,起到防止输入功率过大和增加平坦度的作用。
　　3.电子管因为输出功率和稳定性的优点仍然得到广泛使用,所以第三级功率放大器选用电子管3CX2500A3作为核心元件,实现对射频信号的末级放大输出。通过工作曲线建立了电子管的PSpice模型,并且验证了模型的可行性。最后建立了基于电子管的功放电路,并且通过PSpice进行了仿真验证,结果表明输出功率达到要求的1KW,并且输出波形良好,无明显失真。

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第一章 绪 论

1.1 核磁共振射频功率放大器研究背景及意义

1.2 研究现状和发展趋势

1.3 论文主要工作和结构安排

第二章 功率放大器的设计基础

2.1 功率放大器的主要技术指标

2.2 功率放大器的分类

2.3 功率放大器的线性化技术

2.4 宽带匹配理论

2.5 微带线阻抗匹配

2.6 稳定性因子

2.7 本章小结

第三章 核磁共振射频功率放大器总体方案设计

3.1 射频功放在核磁共振系统中的作用

3.2 射频功率放大器关键技术

3.3 射频功率放大器指标要求

3.4 系统方案设计

3.5 本章小结

第四章 第一级和第二级功率放大器设计

4.1 功率放大器的设计指标

4.2 第一级功放电路的设计

4.3 第二级功放电路的设计

4.4 功放电路的制作及调试结果

4.5 本章小结

第五章 外围控制电路硬件设计

5.1 锁相环技术

5.2 频率检测电路设计

5.3 射频开关原理

5.4 射频开关设计

5.5 压控衰减器设计

5.6 本章小结

第六章 电子管的PSpice模型建立及功放设计

6.1 三极管的工作原理

6.2 电子管的PSpice模型建立

6.3 电子管功放设计

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

附录