一种自发自收线圈及其工作方法

技术领域

本发明涉及磁共振线圈技术领域，特别是涉及一种自发自收线圈及其工作方法。

背景技术

磁共振线圈作为磁共振系统的重要部件，一般可以分为发射线圈和接收线圈。发射线圈用于在特定空间中产生一定强度的射频场，实现对样品的激发；接收线圈用于探测样品所产生的磁共振信号。目前，磁共振系统所使用的发射线圈与接收线圈大多基于LC调谐原理设计。由于这种LC调谐式线圈的谱宽一般较窄，在对宽谱线样品进行检测时会存在以下几方面的局限性：(1)由于线圈带宽较窄，因此需要由多个不同的线圈回路相互作用，才能实现对探测频带的拓展。这不但会使得电路和结构变得非常复杂，并且每次实验都需要在其有限的带宽范围内进行手动调谐，效率较低。(2)由于不同频率点线圈回路的Q值不同，从而导致采集到的信号不容易进行直接对比，需要信号归一化。(3)由于每个频点的线圈都要进行单独调谐，因此这种基于LC调谐回路的线圈很难应用于需要快速改变中心频率的应用场合。

基于以上原因，设计一种能够覆盖较宽频率范围的磁共振线圈，对于宽谱线样品的研究与检测就非常重要。对于这种宽频磁共振线圈的研究，目前有以下方案：

一、单电感线圈

单电感线圈就是仅使用一个单独的电感实现射频发射和信号接收。单电感线圈具有结构简单、探测频率范围宽、Q值较高的优点。然而，由于电感的阻抗会随着工作频率的升高而升高，为了保证发射状态下不同频点射频场大小的一致性(线圈中电流大小不变)，在对频率较高的样品进行激发时，驱动端的输出电压需要根据电感线圈阻抗的增大而做出相应的提高。这种阻抗失配状态下的功率输出，还会引起较大的功率反射，不但对射频功放的驱动能力提出了很高要求，同时还会大大降低线圈的发射效率。因此，不论是在现有商用核磁共振系统还是宽频系统，单电感线圈的使用都存在一定的局限性。

二、传输线线圈

传输线一般由芯线、介质层和参考层组成，是一种广泛使用在射频领域用于信号传输的器件。其优点在于，当传输线负载端的匹配电阻阻抗和源端阻抗，与传输线的特征阻抗匹配时，传输线能够无衰减、无反射地传输任意频率的射频信号。使用传输线作为磁共振线圈的优点在于其可以在很宽的频率范围内实现阻抗匹配，从而保证不同频点下射频场的一致性。然而，由于传输线线圈的终端需要使用匹配电阻，而该电阻会产生较大的热噪声，因此当传输线线圈用于信号接收时，其两端输出信号的信噪比会有较大幅度的降低。

为了提高发射效率和接收信噪比，可以考虑采用收、发分离的结构设计线圈，将传输线线圈设计为发射线圈，以保证宽频范围内射频场强度的一致性，并将单电感线圈设计为接收线圈，同时配合高输入阻抗前置放大器，实现较低的噪声系数。然而，这种收、发分离线圈，需要将单电感线圈设计在传输线线圈的内部，并靠近样品放置以提高接收信噪比。对于样品空间较小的磁共振波谱系统而言，这样的结构除了会增加收、发线圈的结构设计难度外，还会增加样品到发射线圈的距离，降低发射效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自发自收线圈及其工作方法，使得线圈在发射和接收期间分别表现为传输线特性和单电感特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自发自收线圈，包括传输线结构和参考层切换电路，所述传输线结构的一端通过第一T/R开关与射频信号输入端相连，另一端通过第二T/R开关和匹配电阻接地；所述传输线结构的一端还通过第四T/R开关与第二射频信号输出端相连，另一端通过第三T/R开关与第一射频信号输出端相连；所述传输线结构包括线圈，所述线圈绕线外设置有参考层；所述参考层和线圈绕线之间设置有介质层，所述介质层用于控制参考层和线圈绕线之间特征阻抗，使得所述特征阻抗与输入端阻抗和匹配电阻的阻抗匹配；所述参考层切换电路与所述参考层相连，用于控制所述参考层的对地阻抗。

所述线圈绕线绕成螺线管的形式、或为平面线圈的形式、或为同轴线的芯线的形式。

所述参考层为圆筒状的形式、或为线状的形式、或为同轴线的屏蔽层的形式、或为平面状的形式。

所述参考层切换电路包括第一开关器件和第二开关器件，所述第一开关器件与所述第二开关器件相连；所述第一开关器件未与所述第二开关器件相连的一端连接门控驱动端；所述第二开关器件未与所述第一开关器件相连的一端接地；所述参考层连接在所述第一开关器件与所述第二开关器件的连接处。

相连的所述第一开关器件和所述第二开关器件的两端还并联有电容。

所述第一开关器件与所述第二开关器件为场效应管、三极管、二极管、PIN管或继电器。

所述第一开关器件未与所述第二开关器件相连的一端与门控驱动端之间还设置有限流电阻。

所述匹配电阻为直插电阻、贴片电阻、绕线电阻或PCB走线电阻。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种上述自发自收线圈的工作方法，当所述自发自收线圈处于发射状态时，所述第一T/R开关和第二T/R开关处于导通状态；所述第三T/R开关和第四T/R开关处于截止状态，所述参考层切换电路使所述参考层与地之间呈现出低阻状态；当所述自发自收线圈处于接收状态时，所述第一T/R开关和第二T/R开关处于截止状态；所述第三T/R开关和第四T/R开关处于导通状态，所述参考层切换电路使所述参考层与地之间呈现出高阻状态。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过改变传输线线圈参考层的对地阻抗，使其能够在发射状态下实现良好的宽频阻抗匹配，并在接收状态下实现较高的Q值和较低的噪声，实现在发射状态下具有传输线特性，在接收状态下具有单电感线圈特性。本发明能够完全兼容现有的商用50Ω宽带射频功放，实现宽带的磁共振射频激发。与单电感线圈相比，本发明可以在发射状态下实现良好的阻抗匹配状态，从而克服单电感线圈的发射阻抗失配问题。与传输线线圈直接作为接收线圈相比，本发明在接收状态下具有更高的Q值以及更低的噪声系数，使得线圈的接收信噪比性能得到较大提升，克服传输线线圈直接作为接收线圈使用时的热噪声较大，接收信噪比较低的问题。

附图说明

图1是本发明实施方式的原理图；

图2是本发明实施方式中传输线结构的结构示意图；

图3是本发明实施方式中参考层切换电路的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种自发自收线圈，该自发自收线圈可以在发射状态下具有传输线线圈的特性，在接收状态下具有单电感线圈的特性。如图1所示，其主要由传输线结构、参考层切换电路、匹配电阻和T/R开关组成。传输线结构中的线圈绕线COIL的一端A通过第一T/R开关S1与射频信号输入端PORTA相连，另一端B通过第二T/R开关S2和匹配电阻Z1接地；所述传输线结构的线圈绕线COIL的一端A还通过第四T/R开关S4与第二射频信号输出端PORT C相连，另一端B通过第三T/R开关S3与第一射频信号输出端PORTB相连，参考层切换电路SW1与传输线结构中的参考层REF相连。其中，四个T/R开关用于控制自发自收线圈的信号的方向，当自发自收线圈处于发射状态时，第一T/R开关S1、第二T/R开关S2处于导通状态；第三T/R开关S3、第四T/R开关S4处于截止状态。当线圈处于接收状态时，第一T/R开关S1、第二T/R开关S2处于截止状态；第三T/R开关S3、第四T/R开关S4处于导通状态。

本实施方式中的传输线结构如图2所示，包括线圈绕线COIL，所述线圈绕线COIL外设置有参考层REF；所述参考层REF和线圈COIL绕线之间设置有介质层，所述介质层用于控制参考层和线圈绕线之间的特征阻抗。本实施方式中，线圈绕线COIL为绕成螺线管的形式，参考层REF为圆筒状的形式(图2为传输线结构线圈的剖面图)，介质层3用于调整线圈绕线1与圆筒状参考层2之间的特征阻抗，该特征阻抗值应与输入端阻抗和终端电阻的阻抗匹配，包括但不限于50Ω、75Ω等。值得一提的是，本实施方式中的传输线结构还可以采用其他形式，例如，当传输线结构为平行双导线形式时，线圈绕线COIL为其中一条导线，参考层REF为另一条导线；当传输线结构为同轴线时，线圈绕线COIL为同轴线的芯线的形式，参考层REF为同轴线的屏蔽层的形式。本实施方式中的传输线结构包括但不限于平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线、微带线等。

本实施方式中的参考层切换电路SW1用于改变传输线参考层的对地阻抗。该参考层切换电路的工作逻辑为：当自发自收线圈需要在宽带范围内呈现出良好的阻抗匹配状态时，参考层切换电路导通，从而使参考层REF与地之间呈现出低阻状态；当自发自收线圈需要在宽带范围内呈现出较低的噪声和较高的Q值时，参考层切换电路截止，从而使参考层REF与地之间呈现出高阻状态。

如图3所示，本实施方式中的参考层切换电路包括第一开关器件D1和第二开关器件D2，所述第一开关器件D1与所述第二开关器件D2相连；所述第一开关器件D1未与所述第二开关器件D2相连的一端通过一个限流电阻R1连接门控驱动端TRIG；所述第二开关器件D2未与所述第一开关器件D1相连的一端接地；所述参考层REF连接在所述第一开关器件D1与所述第二开关器件D2的连接处；相连的所述第一开关器件D1和所述第二开关器件D2的两端还并联有隔直通交的电容C1。当门控驱动端TRIG收到的信号为高电平时，第一开关器件D1和第二开关器件D2导通。此时，参考层REF与地之间呈低阻状态；当门控驱动端TRIG收到的信号为低电平时，第一开关器件D1和第二开关器件D2截止。此时，参考层REF与地之间呈高阻状态。本实施方式中的第一开关器件和第二开关器件均采用二极管实现，值得一提的是，该开关器件还可以使用场效应管、三极管、PIN管或继电器等。该门控驱动端TRIG可以由电压源驱动，也可以由电流源驱动。

本实施方式中的匹配电阻Z1用于在参考层切换电路呈现出低阻状态时，为传输线结构提供终端阻抗匹配，该匹配电阻Z1包括但不限于直插电阻、贴片电阻、绕线电阻、PCB走线电阻等。

不难发现，本发明能够完全兼容现有的商用50Ω宽带射频功放，实现宽带的磁共振射频激发，利用参考层切换电路，使得线圈在发射和接收期间分别表现为传输线特性和单电感特性，实现无反射的射频激发和高效低噪声的射频接收。与单电感线圈相比，本发明可以在发射状态下实现良好的阻抗匹配状态，从而克服单电感线圈的发射阻抗失配问题；与传输线线圈相比，本发明在接收状态下具有更高的Q值以及更低的噪声系数，使得线圈的接收信噪比性能得到提升，克服传输线线圈热噪声较高，接收信噪比较低的问题。