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[摘 要]简要介绍了核磁共振及其功率与脉冲宽度之间的关系，以MRF313和UF2810为核心器件设计了一款适用于特定频率的核磁共振窄带功率放大器，提高频谱纯度及发射效率，并完成设计后进行相关的测试，达到了预期的设计目标。
[关键词]核磁共振；窄带功率放大器；窄带带通滤波器
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0239-01
引言
核磁共振波谱仪主要由发射机，接收机，磁体系统，探头系统，匀场系统等几部分组成。其中功率放大器是发射机的核心部件提供原子核跃迁时所需要的必要能量，现代核磁共振波谱仪采用脉冲式设计要求发射信号具有快速开启和关断的能力，同时需要具备一定的频谱纯净度和抗干扰的能力。本文介绍一种工业核磁共振窄带功率放大器设计满足特定频率下核磁共振发射的需求。
1.核磁共振及其发射功率分析
核磁共振（NMR）是电磁波与物质相互作用的结果，处于静磁场中的原子核受到特定频率的电磁波照射，原子核就会吸收能量从低能级跃迁到高能级，当电磁波被撤除后，原子核从高能级回到低能级而释放特定频率的电磁波。
由核磁共振的旋磁比公式：
ω=γB1 θ=γB1·p
（式中γ为磁旋比B1为射频场强度，p为射频脉冲宽度，θ为脉冲翻转角度）
可知脉冲翻转角度与射频场强度成正比，通常取θ=π/2。
由射频场的场强公式
当射频脉冲宽度p，线圈品质因数Q，线圈体积V，发射频率f已知时，可计算出90度脉冲所需射频功率。
2.核磁共振功率放大器设计原理及其方案
为提高核磁共振功率放大器的输出频谱纯度同时抑制噪声的干扰设计适用于特定频段的窄带核磁共振功率放大器。
本文设计的核磁共振功率放大器，一级推挽结构采用MRF313射频晶体管及其匹配网络组成，二级推挽结构采用UF2810功率放大器组成，两级放大总增益大于25dB，中心频率60MHz，带宽5MHz，最大输出功率10W。
核磁共振功率放大器结构包括窄带带通滤波器，匹配网络，反馈网络，开关控制电路几大部分整体电路原理图如图1所示。
（1）窄带带通滤波器设计采用电容耦合式谐振滤波器设计结构，并根据阻抗变换关系进行输入输出端的匹配，通过ADS2009仿真软件得出仿真结果，并带入数值进行测试，得到中心频率在60MHz，带宽<5MHz的滤波器，使用安捷伦网络分析仪E5061B测试结果如图2所示。
（2）放大电路设计部分采用MRF313和UF2810功率放大器组成，两种晶体管的工作电压均为28V供电，方便设计，MRF313输出功率1W增益大于15dB，UF2810最大输出功率为10W，增益大于10dB，且UF2810较为昂贵，但其最大驻波比达到20：1，对于突发状况可以稳定运行，不易损坏，电阻R6，R7，R9 ，R10分别为两级的偏置电阻，R1，C1，R2，C2为加速电路，保证电路的快速开启，C3，R4，C4，R5，C7，R11，C8，R12构成电路的反馈网络，T1，T2为1：1传输线变压器，用于推挽信号的形成和输出信号的合成。
（3）匹配网络设计由于设计窄带功率放大器保证信号的纯净，为提高阻抗匹配的效果采用L型匹配网络设计，设计时使用ADS2009仿真软件，通过其内部的阻抗匹配插件可以方便快速的完成匹配工作，但因为仿真结果为理想状态下，因此需要进行微调，建议在测试时采用微调电容进行调节，经过调节后可以得到较好的匹配结果，本设计中仿真结果如下图3所示。
（4）开关电路的设计应作用在28V电源的输入端，保证了在接收信号时功率放大器的彻底关闭，本设计中采用晶体管2N2369和FCPF850N80Z，两者的上升和关断时间都在几十纳秒可以满足核磁共振快速开始和关断信号的要求。
3.测试结果
使用信号源和N9010A频谱分析仪及其衰减器进行功率谱测试，测试中功率分布几种在中心频率附近，測试结果如下图4，测试完成后与发射机进行联机测试，使用安捷伦DSO-X3052A数字示波器测试，发射机脉冲宽度控制在10us，测试结果显示上升关断时间小于200ns满足设计要求，测试功率输出达到40dBm同样达到预期目标，测试结果如图5。
4.总结
本设计的核磁共振功率放大器成功应用于测试核磁共振控制台系统，使用中各项参数均能满足设计要求另外如有要求可将该功率放大器改为宽带功率放大器将各L型匹配网络均改为传输线变压器形式，但其效率和抑制噪声的能力得到一定的降低。
参考文献
[1] 毛希安.现代核磁共振实用技术及应用[M].科学技术文献出版社，2000.
[2] 郝国欣，金燕波，郭华民，张培哲.大功率宽带射频脉冲功率放大器设计[J].电子技术应用，2006，3：134-136.
[3] ArthurB Williams，宁彦卿.电子滤波器设计[M].科学出版社，2008.
[4] 陶家洵，李勇，杨海军.核磁共振实验200例—实用教程[M].化学工业出版社，2007.
[关键词]核磁共振；窄带功率放大器；窄带带通滤波器
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0239-01
引言
核磁共振波谱仪主要由发射机，接收机，磁体系统，探头系统，匀场系统等几部分组成。其中功率放大器是发射机的核心部件提供原子核跃迁时所需要的必要能量，现代核磁共振波谱仪采用脉冲式设计要求发射信号具有快速开启和关断的能力，同时需要具备一定的频谱纯净度和抗干扰的能力。本文介绍一种工业核磁共振窄带功率放大器设计满足特定频率下核磁共振发射的需求。
1.核磁共振及其发射功率分析
核磁共振（NMR）是电磁波与物质相互作用的结果，处于静磁场中的原子核受到特定频率的电磁波照射，原子核就会吸收能量从低能级跃迁到高能级，当电磁波被撤除后，原子核从高能级回到低能级而释放特定频率的电磁波。
由核磁共振的旋磁比公式：
ω=γB1 θ=γB1·p
（式中γ为磁旋比B1为射频场强度，p为射频脉冲宽度，θ为脉冲翻转角度）
可知脉冲翻转角度与射频场强度成正比，通常取θ=π/2。
由射频场的场强公式
当射频脉冲宽度p，线圈品质因数Q，线圈体积V，发射频率f已知时，可计算出90度脉冲所需射频功率。
2.核磁共振功率放大器设计原理及其方案
为提高核磁共振功率放大器的输出频谱纯度同时抑制噪声的干扰设计适用于特定频段的窄带核磁共振功率放大器。
本文设计的核磁共振功率放大器，一级推挽结构采用MRF313射频晶体管及其匹配网络组成，二级推挽结构采用UF2810功率放大器组成，两级放大总增益大于25dB，中心频率60MHz，带宽5MHz，最大输出功率10W。
核磁共振功率放大器结构包括窄带带通滤波器，匹配网络，反馈网络，开关控制电路几大部分整体电路原理图如图1所示。
（1）窄带带通滤波器设计采用电容耦合式谐振滤波器设计结构，并根据阻抗变换关系进行输入输出端的匹配，通过ADS2009仿真软件得出仿真结果，并带入数值进行测试，得到中心频率在60MHz，带宽<5MHz的滤波器，使用安捷伦网络分析仪E5061B测试结果如图2所示。
（2）放大电路设计部分采用MRF313和UF2810功率放大器组成，两种晶体管的工作电压均为28V供电，方便设计，MRF313输出功率1W增益大于15dB，UF2810最大输出功率为10W，增益大于10dB，且UF2810较为昂贵，但其最大驻波比达到20：1，对于突发状况可以稳定运行，不易损坏，电阻R6，R7，R9 ，R10分别为两级的偏置电阻，R1，C1，R2，C2为加速电路，保证电路的快速开启，C3，R4，C4，R5，C7，R11，C8，R12构成电路的反馈网络，T1，T2为1：1传输线变压器，用于推挽信号的形成和输出信号的合成。
（3）匹配网络设计由于设计窄带功率放大器保证信号的纯净，为提高阻抗匹配的效果采用L型匹配网络设计，设计时使用ADS2009仿真软件，通过其内部的阻抗匹配插件可以方便快速的完成匹配工作，但因为仿真结果为理想状态下，因此需要进行微调，建议在测试时采用微调电容进行调节，经过调节后可以得到较好的匹配结果，本设计中仿真结果如下图3所示。
（4）开关电路的设计应作用在28V电源的输入端，保证了在接收信号时功率放大器的彻底关闭，本设计中采用晶体管2N2369和FCPF850N80Z，两者的上升和关断时间都在几十纳秒可以满足核磁共振快速开始和关断信号的要求。
3.测试结果
使用信号源和N9010A频谱分析仪及其衰减器进行功率谱测试，测试中功率分布几种在中心频率附近，測试结果如下图4，测试完成后与发射机进行联机测试，使用安捷伦DSO-X3052A数字示波器测试，发射机脉冲宽度控制在10us，测试结果显示上升关断时间小于200ns满足设计要求，测试功率输出达到40dBm同样达到预期目标，测试结果如图5。
4.总结
本设计的核磁共振功率放大器成功应用于测试核磁共振控制台系统，使用中各项参数均能满足设计要求另外如有要求可将该功率放大器改为宽带功率放大器将各L型匹配网络均改为传输线变压器形式，但其效率和抑制噪声的能力得到一定的降低。
参考文献
[1] 毛希安.现代核磁共振实用技术及应用[M].科学技术文献出版社，2000.
[2] 郝国欣，金燕波，郭华民，张培哲.大功率宽带射频脉冲功率放大器设计[J].电子技术应用，2006，3：134-136.
[3] ArthurB Williams，宁彦卿.电子滤波器设计[M].科学出版社，2008.
[4] 陶家洵，李勇，杨海军.核磁共振实验200例—实用教程[M].化学工业出版社，2007.