一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器，包括射频激励接入端口（1）、核磁探头接入端口（2）、前置放大器接入端口（3）、TTL控制电平接入口（4）、两直流隔离电容（5）和（6）、两并联的射频二极管对（7）和（8）、1/4波长线（9）、电压稳压器（10）、滤波电容（11）、施密特触发器（13）、单刀双掷射频开关（14）、前置放大器（15）。本发明专利技术通过脉冲发生器控制高速射频开关实现激励时断开、接收核磁信号时连通，可以大幅提升传统双工器隔离度（>70 dB），而引入的插入损耗很低（

【技术实现步骤摘要】
一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器
本专利技术涉及核磁共振领域，具体涉及一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器。
技术介绍
当一个具有自旋I的原子核体系处于外加磁场中时，其核能级将破除简并，劈裂为能量间距为(为约化普朗克常数，γ为原子核的旋磁比)的2I+1个子能级。如果我们利用角频率ω＝γH0的电磁波激励该原子核，它将会从低能态跃迁到高能态，实现粒子数翻转。将激励去掉，原子核将会发生从高能态到低能态的跃迁，并辐射电磁波，这种现象被称为核磁共振。经过几十年的迅猛发展，核磁共振已经日益成为物理、化学、生物学、材料学及医学等领域广泛应用的一种谱学手段。凝聚态核磁共振指研究对象为凝聚态物质的核磁共振手段，能够给出关于材料的磁性、实空间电荷分布、低能自旋激发及电荷激发等性质的详细谱学信息，在凝聚态物理前沿研究中具有重要应用价值。与其他核磁共振技术相比，凝聚态核磁共振技术具有激励功率高(固体材料)、可探测时间短(研究对象的自旋-自旋驰豫快)、信号弱(谱线宽度远大于其他核磁技术)的特征。凝聚态核磁共振技术采用脉冲方式、单一核磁线圈的方式进行。一般来讲，核磁共振实验包括高功率射频脉冲激励及微弱核磁共振信号探测两个过程。因此，同一核磁线圈一方面要能够将高功率激励施加至实验样品，另一方面还要完成对微弱核磁信号的高灵敏度探测。两种工作模式间的高速切换由“射频双工器”完成。针对凝聚态核磁共振的特点，射频双工器应满足下列要求：1、隔离度高。由于激励时射频功率高(>50dBm)，核磁信号弱(～-140dBm)，激励时极其微小的射频能量泄露至接收端会导致低噪声前置放大器饱和甚至烧坏，并容易引起后级放大器的饱和。而级联放大器的饱和会明显延长低噪声放大器的死区时间。在关联电子材料中，原子核系统的自旋-自旋驰豫时间往往很短(一般在10us-1ms量级)。因此，放大器死区时间的延长对凝聚态核磁共振实验中信噪比的提升非常不利。2、切换速度快。如前所述，由于研究对象的自旋-自旋驰豫快，核磁信号衰减快。若双工器切换时间过长，则会导致观测信号强度的降低(也即信噪比降低)，甚至无法观测到信号。传统核磁共振射频双工器采用被动方式实现激励-接收切换功能。利用1/4波长线的阻抗变换的作用(即ZinZout＝502)及非线性元件——射频二极管对的高压导通功能、低压截止功能，与低噪声前置放大器并联，通过1/4波长线实现激励时前放与探头隔离，探测时导通的功能。但传统双工器的隔离度往往不高，原因有两点。首先，1/4波长线具有窄带特性。对于对于长度为几个微秒的射频脉冲，在脉冲的上升沿与下降沿的短时间内，射频脉冲的频率远偏离脉冲中间段的频率(也即选用1/4波长线的中心频率)，使边沿处短时间内有高功率射频能量泄露至前放。另外，如前所述，凝聚态核磁共振谱线宽(往往需要进行扫频以观测整体谱线)，在实验中多次更换1/4波长线在实际操作中不现实。另一方面二极管在高压导通时也具有有限的非零电阻(即Zin≠0)，这也会导致双工器隔离度不高。近些年来，针对该问题有两种改进方式：一种采用多级串联方式，逐级减弱泄露的射频能量；一种是主动开关方式，在合适的时间对射频二极管施加上百伏特的直流电压，减小其导通电阻。两种改进仅仅分别针对了上述两种缺陷之一。对于生物、化学领域而言，由于其频率相对固定，第二种方式具有很大范围的应用。然而对于5-800MHz如此宽度的CMNMR而言，我们不可能针对每一个窄频率区间都要更换一条甚至多条1/4波长线。目前针对凝聚态核磁共振的所需隔离度高、切换迅速的主动式射频双工器还没有成熟产品。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有的核磁共振射频双工器的隔离度差，容易导致前置放大器过饱和从而引发核磁共振探测的死区时间长的不利结果；本专利技术的目的在于提供一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器，其特征在于：包括有射频激励接入端口(1)、核磁探头接入端口(2)、前置放大器接入端口(3)、TTL控制电平接入口(4)、两直流隔离电容(5)和(6)、两并联的“背靠背”射频二极管对(7)和(8)；所述射频激励接入端口(1)、核磁探头接入端口(2)、前置放大器接入端口(3)分别接核磁功率放大器(激励源)、核磁探头、核磁共振信号接收机的射频接头，所述射频激励接入端口(1)与并联的射频二极管对(7)之间接入直流隔离电容(5)，所述前置放大器(15)与并联的射频二极管对(8)之间接入直流隔离电容(6)，两并联的射频二极管对(7)和(8)之间连接1/4波长线(9)；所述直流隔离电容(6)与前置放大器(15)之间接入单刀双掷射频开关(14)，TTL控制电平接入口(4)与单刀双掷射频开关(14)之间接入施密特触发器(13)、电压稳压器(10)和滤波电容(11)，通过电压稳压器(10)、滤波电容(11)、施密特触发器(13)改善单刀双掷射频开关(14)的工作稳定度。所述的一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器，其特征在于：所述单刀双掷射频开关(14)的第二输出口与50欧姆标准负载(12)连接。本专利技术的原理是：在现有技术中，可以通过对射频二极管外加高直流电压使其电阻进一步降低，从而使隔离度得到提高。但该技术的前提是工作频段相对固定时选用频段合适的1/4波长线，对于凝聚态核磁来讲并不实用，且脉冲边沿处的隔离度也得不到明显提高。本专利技术应用时，在对样品进行射频激励时，对高速射频开关施加低电平(由脉冲发生器输出)，关断开关，此时射频隔离度增加70dB；在进行核磁信号探测时，对高速射频开关施加高电平(由脉冲发生器输出)，此时插入损耗小于1dB。相比于现有技术，该方式更加直截了当、效果更加明显且电子线路非常简单，在保证设备可靠性的同时也明显提升了性能。在高功率输入接头及信号输出口串联电容器，隔离激励及信号的直流偏置。射频单刀双掷开关及施密特触发器采用电压稳压器供电，以稳定射频开关的工作状态。在电源输入端增设多个滤波电容，进一步将电压波动降低或滤除。控制射频通断的TTL电平输入口经过施密特触发器输入至射频开关的控制端口，以稳定射频通断状态，增强电路的抗干扰性。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术通过将多对射频二极管并联，大大降低高压导通时的等效电阻，增大等效电容，降低高压导通时的等效阻抗，使经过1/4波长线后的阻抗更接近于无穷大，从而增高隔离度；更重要的是，本专利技术在传统双工器与前置放大器间直接接入主动式单刀双掷射频开关，且通过电压稳压器、滤波电容、施密特触发器改善单刀双掷射频开关的工作稳定度，采用电压稳压器进行稳压，采用滤波电容滤除电压波动，实现了双工器射频隔离度提升70dB，插入损耗增加量小于1dB，开关速度2us，且电路布局简单，有效的降低了成本和双工器插损，提高了设备的可靠性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术结构示意图。附图中标记及对应的零部件名称：1-射频激励接入端口、2-核磁探头接入端口、3-前置放大器接入端口、4-TTL控制电平接入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器，其特征在于：包括有射频激励接入端口（1）、核磁探头接入端口（2）、前置放大器接入端口（3）、TTL控制电平接入口（4）、两直流隔离电容（5）和（6）、两并联的射频二极管对（7）和（8）；所述射频激励接入端口（1）、核磁探头接入端口（2）、前置放大器接入端口（3）分别接核磁功率放大器、核磁探头、核磁共振信号接收机的射频接头，所述射频激励接入端口（1）与并联的射频二极管对（7）之间接入直流隔离电容（5），所述前置放大器（15）与并联的射频二极管对（8）之间接入直流隔离电容（6），两并联的射频二极管对（7）和（8）之间连接1/4波长线（9）；所述直流隔离电容（6）与前置放大器（15）之间接入单刀双掷射频开关（14），TTL控制电平接入口（4）与单刀双掷射频开关（14）之间接入施密特触发器（13）、电压稳压器（10）和滤波电容（11），通过电压稳压器（10）、滤波电容（11）、施密特触发器（13）改善单刀双掷射频开关（14）的工作稳定度。

【技术特征摘要】
1.一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器，其特征在于：包括有射频激励接入端口（1）、核磁探头接入端口（2）、前置放大器接入端口（3）、TTL控制电平接入口（4）、两直流隔离电容（5）和（6）、两并联的射频二极管对（7）和（8）；所述射频激励接入端口（1）、核磁探头接入端口（2）、前置放大器接入端口（3）分别接核磁功率放大器、核磁探头、核磁共振信号接收机的射频接头，所述射频激励接入端口（1）与并联的射频二极管对（7）之间接入直流隔离电容（5），所述前置放大器（15）与并联的射频二极管对（8）之间接入直流隔离电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：马龙，童伟，皮雳，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34