[发明专利]一种用于凝聚态核磁共振的高隔离度主动式射频双工器

说明书

本发明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（1dB）。本发明具有线路简单可靠、效果明显的优势，对于凝聚态核磁共振实验信噪比的提升具有重要作用。

技术领域

本发明涉及核磁共振领域，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。

背景技术

当一个具有自旋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， 为原子核的旋磁比）的 个子能级。如果我们利用角频率 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（50 dBm），核磁信号弱（小于 -140 dBm），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10 us-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=50²Ω²）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。