一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器

摘要

本发明公开了一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器，包括：第一直流偏置模块、第二直流偏置模块、第一选频模块、第二选频模块和探头线圈；第一直流偏置模块提供直流偏置并通过改变偏置电压的大小来改变输入支路的开通和关断状态；第一选频模块通过改变双工电路的等效输入阻抗使双工电路在不同频率下得到阻抗匹配，实现双工电路通带中心频率转移；第二选频模块通过改变双工电路的等效输出阻抗使双工电路在输出信号频率的一定范围满足阻抗匹配要求，并将线圈检测到的FID信号传送至输出端口；第二直流偏置模块用于提供直流偏置并通过改变偏置电压的大小来改变输出支路的开通和关断状态。本发明可以解决中心频率小和频带固定的问题。

权利要求

1.一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器，其特征在于，包括：第一直流偏置模块(1)、第二直流偏置模块(2)、第一选频模块(3)、第二选频模块(4)和探头线圈(5)；

所述第一直流偏置模块(1)的输入端作为双工器的射频输入端，第一直流偏置模块(1)用于提供直流偏置并通过改变偏置电压的大小来改变输入支路的开通和关断状态；

所述第一选频模块(3)的输入端连接至所述第一直流偏置模块(1)的输出端，所述第一选频模块(3)用于通过改变双工电路的等效输入阻抗使双工电路在不同频率下得到阻抗匹配，实现双工电路通带中心频率转移；

所述探头线圈(5)的输入端连接至所述第一选频模块(3)的输出端，所述探头线圈(5)用于接受输入的射频信号和检测生成的FID信号；

所述第二选频模块(4)的输入端连接至探头线圈(5)的输出端，第二选频模块(4)用于通过改变双工电路的等效输出阻抗使双工电路在输出信号频率的一定范围满足阻抗匹配要求，并将线圈检测到的FID信号传送至输出端口；

所述第二直流偏置模块(2)的输入端连接至所述第二选频模块(4)的输出端，所述第二直流偏置模块(2)的输出端作为双工器的输出端，所述第二直流偏置模块(2)用于提供直流偏置并通过改变偏置电压的大小来改变输出支路的开通和关断状态；

所述第一直流偏置模块(1)包括：电容C2、旁路电容C9、电感L3、电感L4和第一直流偏置电压BIAS1；

所述电感L3的一端和所述电感L4的一端分别连接至所述电容C2的两端，所述电感L3的另一端和所述电感L4的另一端均连接所述第一直流偏置电压BIAS1；所述旁路电容C9的一端连接所述第一直流偏置电压BIAS1，所述旁路电容C9的另一端接地；

当所述第一直流偏置电压BIAS1为高电平时使输入支路导通；当所述第一直流偏置电压BIAS1为低电平时使输入支路关断；所述旁路电容C9用于滤除谐波；

所述第二直流偏置模块(2)包括：电容C6、旁路电容C10、电感L9、电感L10和第二直流偏置电压BIAS2；

所述电感L9的一端和所述电感L10的一端分别连接在所述电容C6的两端，所述电感L9的另一端和所述电感L10的另一端均连接所述第二直流偏置电压BIAS2；

所述旁路电容C10的一端连接所述第二直流偏置电压BIAS2，所述旁路电容C10的另一端接地；

当所述第二直流偏置电压BIAS2为高电平时使输出支路导通；当所述第二直流偏置电压BIAS2为低电平时使输出支路关断；所述旁路电容C10用于滤除谐波。

2.如权利要求1所述的射频双工器，其特征在于，所述第一直流偏置电压BIAS1和所述第二直流偏置电压BIAS2的电平符号相反。

3.如权利要求1所述的射频双工器，其特征在于，所述第一选频模块(3)包括：选频电感L1和选频电感L2；

所述选频电感L1和所述选频电感L2的电感值大小相同；

所述选频电感L1连接在电容C1的一端与地之间，所述选频电感L2连接在电容C1的另一端与地之间。

4.如权利要求3所述的射频双工器，其特征在于，通过改变所述选频电感L1和所述选频电感L2的大小，使双工电路的输入阻抗在不同频率下发生变化，以至于在不同频率情况下阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电路输入状态下工作的通带中心频率改变，达到中心频率转移的目的以及解决频带固定的问题。

5.如权利要求3所述的射频双工器，其特征在于，所述选频电感L1和所述选频电感L2的电感值大小相同。

6.如权利要求1‑5任一项所述的射频双工器，其特征在于，所述第二选频模块(4)包括：选频电感L7和选频电感L8，

所述选频电感L7和所述选频电感L8的电感值大小相同；

所述选频电感L7连接在电容C5的一端与地之间，所述选频电感L8连接在电容C5的另一端与地之间。

7.如权利要求6所述的射频双工器，其特征在于，通过改变所述选频电感L7和所述选频电感L8的大小，使双工电路的输出阻抗在不同频率下发生变化，以至于在不同频率情况下阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电路在输出状态下工作的通带中心频率改变，达到中心频率转移的目的以及解决频带固定的问题。

8.如权利要求6所述的射频双工器，其特征在于，所述选频电感L7和所述选频电感L8的电感值大小相同。

9.如权利要求1‑5任一项所述的射频双工器，其特征在于，射频双工器还包括：两对反向设置的PIN二极管D1、D2、D3、D4，以及一对反向设置的PIN二极管D5和D6；

PIN二极管D1和D2并联连接后与并联连接PIN二极管D3和D4反向串接在电容C2的两端，PIN二极管D5和D6反向串接在电容C6的两端。

说明书

一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器

技术领域

[0001] 本发明属于核磁共振技术领域，更具体地，涉及一种用于超高频脉冲核磁共振谱仪系统的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器。

背景技术

[0002] 在以往研究和目前商用的核磁共振谱仪中，大部分都是利用超导磁体产生的磁场来作为核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)实验的背景场，这是由于超导磁体磁
场的均匀度好，得到的自由感应衰减(Free Induction Decay，FID)信号频率稳定，几乎不
产生相位动态波动偏差；同时超导磁体磁场的可重复性好，持续时间长，通过多个重复实验
信号叠加得到的信号的信噪比也能满足大部分科学实验以及商用要求。但是随着NMR技术
的发展，超导磁体由于超导磁体磁场强度大小的限制，在针对生物大分子样品以及多维NMR
等受时间限制很大的实验场景中，超导磁体能够产生的场强范围已经不能很好满足科学研
究的需求了。

[0003] 由NMR相关知识可知，FID信号的信噪比随外加磁场强度成指数增加，在高场下的NMR实验可以大幅度减少相关NMR实验次数，缩短实验所需时间，加快采集速度，同时对于波
谱分析来说，提高场强能增大质子共振的频率差异，从而提高频谱分辨率，增加物质区分能
力。因此，NMR应用和相关的研究趋于向更高磁场强度发展。德国、法国和日本等国家的相关
学者已经率先开展了脉冲强磁场下的NMR研究，共振频率也随磁场强度成正比提高到GHz级
别，最高达到2.4GHz。然而，由于脉冲强磁场的磁场不均匀性，一次脉冲NMR实验的FID信号
频谱带宽比稳态场下FID信号频谱带宽要大(具体取决于样品的磁旋比以及实验时磁场的
波动范围)。

[0004] 脉冲强磁场下的NMR实验能有效解决实验时间短以及分辨率不足等问题，但是也带来了对双工器插入损耗要求变高、样品质子共振频率差异增加以及FID信号频谱带宽增
加的问题。传统稳态场下NMR系统中的射频双工器工作频率相对较低和带宽也相对较小。因
此，用于传统谱仪系统中的射频双工器由于频率和带宽的限制，不能很好的适用于脉冲核
磁共振谱仪中。

[0005] 针对脉冲核磁共振谱仪系统的工作要求，射频双工器应满足下列要求：

[0006] (1)射频双工器工作状态切换速度快。对于脉冲强磁场下的NMR实验，每次施加的外加射频磁场持续时间很短(大概为μs量级)，FID信号衰减过快，检测时间短(一般小于
0.05ms)。如果射频双工器切换速度太慢，则会导致死区时间过长，从而导致检测到的FID信
号比较弱，且由于尾部噪声信号和FID信号强度相差不大，因此切换时间速度过慢会使得
FID信号的信噪比降低。尤其是在脉冲NMR实验中，脉冲磁体平顶时间短，实验次数受到冷却
系统的限制，所以更需要通过双工器的快速切换来保证每次的FID信号能够采得尽量完整，
达到最好的采集效果。

[0007] (2)低电压驻波比和低插损。由于发射端射频放大器输出的射频功率高(约200W)，为了保证前置射频功率放大器输出的功率绝大部分能发射出去，避免功率反射，需要保证
双工器的阻抗匹配在50欧姆附近，从而确保双工器工作时的电压驻波比低(通常双工器的
电压驻波比在1.4以下，这样可以确保输出功率的97％被发射出去)。频率越高，对发射端射
频功率放大器能输出功率能力的要求就越高，且相同功率下投入的成本也越高，所以在脉
冲NMR系统中需要更小插入损耗的双工器，才能确保功率尽可能全部传输到NMR探头，从而
降低系统在射频功率放大器上的成本。

[0008] (3)高隔离度。由于脉冲场的电磁环境复杂和射频功率放大器的输出功率大的原因，为了确保接收端低噪声放大器的安全稳定运行，需要保证射频功率放大器输出端口和
低噪声信号放大器的输入端口之间的隔离度高，避免泄露的射频信号对后级低噪声放大器
造成损坏。

[0009] (4)射频双工器工作频率高和带宽大。脉冲NMR系统一般工作在1GHz频率以上，且由于脉冲强磁场的时空不均匀性导致的FID信号带宽增加，这就要求脉冲核磁共振系统中
的射频双工器具有工作频率高以及带宽大等特性。

[0010] 用于无线通信中的双工器是通过滤波器的分频功能实现不同频率信号的发送和接收，与核磁共振中同频信号发送和接收的双工器实现的功能不一样，因此通信领域的异
频双工器不适用于核磁共振领域。

[0011] 在中国专利CN108680883A中，通过对高速射频开关施加高低控制电平能将射频双工器的隔离度提高到70dB，在添加射频激励时，插入损耗在工作频率范围内最大可达1dB左
右，开关速度达到2μs，但是它的工作频率仍然在GHz级别以下，插入损耗在1dB左右时会造
成较大一部分功率没有能传输到NMR探头上，且高功率射频功率放大器成本高，大的插入损
耗则会造成成本的增加。对于脉冲NMR实验，射频激励添加时间比传统NMR实验施加激励时
间要短，需要保证射频功率放大器的绝大部分功率可以传递到NMR探头，以确保在短时间内
操控核磁矩在xyz坐标系内以目标角度翻转，并得到信噪比较好的FID信号，因此在脉冲NMR
系统中射频双工器的整个工作频率范围内插入损耗最大在1dB左右不能满足脉冲NMR的需
求，对于脉冲NMR系统的射频双工器最大插入损耗需要小于0.5dB，甚至是小于0.3dB。

[0012] 而传统核磁共振射频双工器采用的是被动切换方式来实现射频激励和FID信号接收状态的切换。在传统射频双工器中主要是采用1/4波长线来实现阻抗变换，以及在添加射
频激励时，实现射频功率放大器输出端和低噪声前置放大器输入端的隔离。由此可知，传统
射频双工器不适用于脉冲NMR系统中，其主要原因是1/4波长线的窄带特性。在添加射频激
励时，射频信号在上升沿和下降沿时会偏离1/4波长线的中心频率，同时由于脉冲强磁场的
时空不均匀性，在每一次添加射频激励后得到的FID信号的中心频率会随磁场的波动而发
生变化，这样就导致了搭载1/4波长线的传统射频双工器不适用于脉冲NMR系统中。

[0013] 其次，由于脉冲强磁场的磁场强度高且共振频率随外加脉冲磁场强度成正比，所以每一次更换样品进行实验时，相应的共振频率都会随之发生较大的改变，而传统的射频
双工器的可使用频带范围并不是很大，如果每一次实验都需要更换射频双工器则会带来成
本上的增加。

[0014] 综上，传统射频双工器由于隔离度以及工作频带带宽等特性的不足而不能适用于脉冲NMR系统，且由于插入损耗特性和样品更换导致的工作中心频率的改变以及中心频带
的转移也不能使现有技术方案中提供的双工器很好适应脉冲NMR系统。

发明内容

[0015] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器，旨在解决传统核磁共振射频双工器插损大、频带窄和频带固定的问题。

[0016] 本发明提供了一种低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器，包括：第一直流偏置模块、第二直流偏置模块、第一选频模块、第二选频模块和探头线圈；第一直流偏置模块的
输入端作为双工器的射频输入端，第一直流偏置模块用于提供直流偏置并通过改变偏置电
压的大小来改变输入支路的开通和关断状态；第一选频模块的输入端连接至第一直流偏置
模块的输出端，第一选频模块用于通过改变双工电路的等效输入阻抗使双工电路在不同频
率下得到阻抗匹配，实现双工电路通带中心频率转移；探头线圈的输入端连接至第一选频
模块的输出端，探头线圈用于接受输入的射频信号和检测生成的FID信号；第二选频模块的
输入端连接至探头线圈的输出端，第二选频模块用于通过改变双工电路的等效输出阻抗使
双工电路在输出信号频率的一定范围满足阻抗匹配要求，并将线圈检测到的FID信号传送
至输出端口；第二直流偏置模块的输入端连接至第二选频模块的输出端，第二直流偏置模
块的输出端作为双工器的输出端，第二直流偏置模块用于提供直流偏置并通过改变偏置电
压的大小来改变输出支路的开通和关断状态。

[0017] 更进一步地，第一直流偏置模块包括：电容C2、旁路电容C9、电感L3、电感L4和第一直流偏置电压BIAS1；所述电感L3的一端和电感L4的一端分别连接至电容C2的两端，电感L3
的另一端和电感L4的另一端均连接第一直流偏置电压BIAS1；旁路电容C9的一端连接所述
第一直流偏置电压BIAS1，旁路电容C9的另一端接地；当第一直流偏置电压BIAS1为高电平
时使输入支路导通；当第一直流偏置电压BIAS1为低电平时使输入支路关断；旁路电容C9用
于滤除谐波。

[0018] 更进一步地，第二直流偏置模块包括：电容C6、旁路电容C10、电感L9、电感L10和第二直流偏置电压BIAS2；电感L9的一端和电感L10的一端分别连接在所述电容C6的两端，电
感L9的另一端和电感L10的另一端均连接第二直流偏置电压BIAS2；旁路电容C10的一端连
接第二直流偏置电压BIAS2，旁路电容C10的另一端接地；当第二直流偏置电压BIAS2为高电
平时使输出支路导通；当第二直流偏置电压BIAS2为低电平时使输出支路关断；旁路电容
C10用于滤除谐波。

[0019] 更进一步地，第一直流偏置电压BIAS1和第二直流偏置电压BIAS2的电平符号相反。即当BIAS1为正向电压时，BIAS2为负电压，输入支路导通，输出支路关断，反之，输入支
路关断，输出支路导通。

[0020] 更进一步地，第一选频模块包括：选频电感L1和选频电感L2；选频电感L1和选频电感L2的电感值大小相同；选频电感L1连接在电容C1的一端与地之间，选频电感L2连接在电
容C1的另一端与地之间。

[0021] 其中，通过改变所述选频电感L1和选频电感L2的大小，使双工电路的输入阻抗在不同频率下发生变化，以至于在不同频率情况下阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电
路输入状态下工作的通带中心频率改变，达到中心频率转移的目的以及解决频带固定的问
题。

[0022] 更进一步地，第二选频模块包括：选频电感L7和选频电感L8，选频电感L7和选频电感L8的电感值大小相同；选频电感L7连接在电容C5的一端与地之间，选频电感L8连接在电
容C5的另一端与地之间。

[0023] 其中，通过改变选频电感L7和选频电感L8的大小，使双工电路的输出阻抗在不同频率下发生变化，以至于在不同频率情况下阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电路在
输出状态下工作的通带中心频率改变，达到中心频率转移的目的以及解决频带固定的问
题。

[0024] 其中，选频电感L1、选频电感L2、选频电感L7和选频电感L8的电感值大小相同。

[0025] 更进一步地，射频双工器还包括：两对反向设置的PIN二极管D1、D2、D3、D4，以及一对反向设置的PIN二极管D5和D6；PIN二极管D1和D2并联连接后与并联连接PIN二极管D3和
D4反向串接在电容C2的两端，PIN二极管D5和D6反向串接在电容C6的两端。

[0026] 本发明具有如下技术优点：

[0027] (1)本发明实现了中心频率高以及宽频带的性能要求，提高了脉冲核磁共振实验的兼容性。对比传统的核磁共振双工器，采用了电感和电容耦合选频，避免了1/4波长线窄
带宽的缺点，得到了中心频率在1GHz以上，频带在700MHz左右的大带宽射频双工器，对于磁
场波动较大而造成频带变大的脉冲核磁共振实验具有很好的兼容性。

[0028] (2)本发明实现了输入低插损，且中心频率可调节的性能要求，对多种样品实验的兼容性好。对比传统核磁共振双工器，采取PIN二极管作为电路状态切换的开关器件，输入
插损由1dB以下优化至0.3dB以下，能够确保输入射频93％以上的功率能到达探头Coil，保
证了在短时间内将更多的有效能量添加到样品。除此之外，通过改变原理图中选频模块中
电感接入电路的大小，可以改变谐振中心频率，从而调节双工器工作的中心频率，使得在实
验样品更换造成共振频率改变时，可以方便地调节双工器工作的中心频率，能确保在共振
中心频率附近的输入插损都保持一个较低的值。

[0029] (3)本发明可以有效降低脉冲NMR系统的成本，提高性价比。通过降低双工器的输入插损，可以在传输到探头线圈的功率相同情况下减小发射端射频功率放大器的输出功率
容量，从而在一定程度上节约成本。除此之外，通过选频模块的选频作用，避免了更换样品
时导双工器需要随之更换而带来的麻烦和在双工器上成本的增加。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例提供的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器的原理框图；

[0031] 图2为本发明实施例提供的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器的电路原理图；

[0032] 图3为本发明实施例提供的添加射频激励时选频模块中电感值大小不同的情况下射频输入端口的电压驻波比与频率关系曲线对比示意图；

[0033] 图4为本发明实施例提供的添加射频激励时选频模块中电感值大小不同的情况下探头线圈和射频输入端口的插入损耗与频率关系曲线对比图；

[0034] 图5为本发明实施例提供的添加射频激励时选频模块中电感值大小不同的情况下输出和射频输入端口的隔离度与频率关系曲线对比图；

[0035] 图6为本发明实施例提供的选频模块中电感值大小不同的情况下NMR探头接收FID信号时探头线圈和输出端口的插入损耗与频率关系曲线对比图。

[0036] 图中各元件和各端口名称分别为：L1、L2、L7和L8为选频电感，L5、L6、L11和L12为调谐电感，L3、L4、L9和L10为偏置回路扼流电感，C1、C2、C3、C5、C6、C7均为隔直电容，C4、C8
为端口阻抗并联匹配电容，C9、C10位加电旁路电容，S1、S2为射频MOS管开关，D1、D2、D3、D4、
D5、D6为PIN二极管，BIAS1和BIAS2为PIN二极管的直流偏置电压，BIAS3和BIAS4为一对相反
的控制信号，MLIN1、MLIN2、MLIN3、MLIN4、MLIN5、MLIN6为50欧特征阻抗的微带线，MTEE为T
字型微带线；RFin端口为射频放大器输出端口即双工器输入端口，Coil为探头线圈，OUT为
双工器输出端口即低噪声放大器的输入端口；1为第一直流偏置模块，2为第二直流偏置模
块，3为第一选频模块，4为第二选频模块，5为探头线圈。

具体实施方式

[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0038] 本发明通过第一选频模块和第二选频模块可以解决中心频率小和频带固定的问题；通过电路中电感和电容参数的设计以及利用两对PIN二极管反向并联可以解决频带窄
以及插损大的问题。其中，频带固定问题是通过改变选频电感的值，改变电路在不同频率下
的阻抗值(比如增大选频电感的值，可以使得电路的阻抗值在频率小的地方满足阻抗匹配
要求，这时的VSWR和插入损耗也相对向频率小的地方移动)从而使得电路的通带中心频率
发生转移。中心频率小的问题主要是通过选择小电容和合适的电感，让双工电路在高频情
况下阻抗达到阻抗匹配的要求，从而使得电路工作的中心频率在高频。

[0039] 在本发明实施例中，通过PIN二极管的并联可以减小线路中PIN二极管接入等效电阻的值，从而使得插损减小；同时由于该双工电路没有采用传统的1/4波长线，所以该双工
电路的频带不会受到1/4波长线的限制，这样得到的双工频带也比传统双工要大。除此之
外，1/4波长线的接入也会引入插入损耗的增加。总之，该双工电路避免了1/4波长线带来的
影响，选用合适大小的电感和电容，使双工在比较宽的一个频带得到的阻抗匹配效果比较
好，从而使得双工的VSWR和插损相对较小。

[0040] 图1示出了本发明实施例提供的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

[0041] 低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器包括：第一直流偏置模块1、第二直流偏置模块2、第一选频模块3、第二选频模块4和探头线圈5，第一直流偏置模块1的输入端作为
双工器的射频输入端，第一直流偏置模块1用于给PIN二极管D1‑D4提供直流偏置，通过改变
偏置电压的大小来改变输入支路的开通和关断状态；第一选频模块3的输入端连接至第一
直流偏置模块1的输出端，第一选频模块3用于改变双工电路的等效输入阻抗，使双工电路
在不同频率下得到阻抗匹配，达到双工电路通带中心频率转移的目的；探头线圈5的输入端
连接至第一选频模块3的输出端，探头线圈5用于接受输入的射频信号和检测生成的FID信
号；第二选频模块4的输入端连接至探头线圈5的输出端，第二选频模块4用于改变双工电路
的等效输出阻抗，和第一选频模块3中元件参数相同，使双工电路在输出信号频率的一定范
围满足阻抗匹配要求，尽可能将线圈检测到的FID信号传送到输出端口；第二直流偏置模块
2的输入端连接至第二选频模块4的输出端，第二直流偏置模块2的输出端作为双工器的输
出端，第二直流偏置模块2用于给PIN二极管D5‑D6提供直流偏置，与第一直流偏置模块1作
用相同，通过改变偏置电压的大小来改变输出支路的开通和关断状态。

[0042] 其中，双工器的射频输入端用于与前置射频功率放大器相连，双工器的输出端为探头线圈检测到FID信号后的输出端口，用于与后级信号放大器的输入端相连。

[0043] 图2示出了本发明实施例提供的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器的具体电路结构，其中，第一直流偏置模块1和第二直流偏置模块2均通过添加直流偏置控制信号
来实现射频输入至探头线圈支路以及探头线圈至输出端支路的开通和关断；具体地：

[0044] 第一直流偏置模块1包括：电容C2、电容C9、电感L3、电感L4和第一直流偏置电压BIAS1，电感L3和电感L4一端分别与电容C2相连，另一端互相到第一直流偏置电压BIAS1，旁
路电容C9一端接直流偏置，另一端与地相连。当第一直流偏置电压BIAS1为高电平时，直流
偏置电流经电感L3和电感L4达到PIN二极管D1、D2、D3、D4，使PIN二极管D1、D2、D3、D4正向导
通，从而使输入支路导通；相反，当直流偏置电压给低电平时，低电平加在电容C2两端，使
PIN二极管D1、D2、D3、D4反向截止，从而使输入支路关断。旁路电容C9主要是起滤除谐波的
作用。

[0045] 第二直流偏置模块2包括：电容C6、旁路电容C10、电感L9、电感L10和第二直流偏置电压BIAS2，电感L9和电感L10一端分别与电容C6相连，另一端互相到第二直流偏置电压
BIAS2，旁路电容C10一端接直流偏置，另一端与地相连。当第二直流偏置电压BIAS2给高电
平时，直流偏置电流经电感L9和电感L10达到PIN二极管D5和D6，使PIN二极管D5和D6正向导
通，从而使输出支路导通；相反，当直流偏置电压给低电平时，低电平加在电容C6两端，使
PIN二极管D5和D6反向截止，从而使输出支路关断。旁路电容C10主要是起滤除谐波的作用。
其中第二直流偏置电压BIAS2和第一直流偏置电压BIAS1给定电平符号相反，即当第一直流
偏置电压BIAS1为正向电压时，第二直流偏置电压BIAS2为负电压，输入支路导通，输出支路
关断，反之，输入支路关断，输出支路导通。

[0046] 第一选频模块3和第二选频模块4可以通过改变选频模块中的元件参数值来实现中心频率的转移并解决及频带固定的问题；具体地：

[0047] 第一选频模块3包括：选频电感L1和选频电感L2，且两电感值大小相同，其中选频电感L1和选频电感L2的一端分别与电容C1相连，另一端接地。通过改变选频电感L1和选频
电感L2的大小，使双工电路的输入阻抗在不同频率下发生变化，以至于在不同频率情况下
阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电路输入状态下工作的通带中心频率改变，达到中
心频率转移的目的以及解决频带固定的问题。

[0048] 第二选频模块4包括：选频电感L7和选频电感L8，且两电感值大小与选频电感L1和选频电感L2相同，即与第一选频模块3对称。选频电感L7和选频电感L8一端分别与电容C5相
连，另一端接地。通过改变选频电感L7和选频电感L8的大小，使双工电路的输出阻抗在不同
频率下发生变化，以至于在不同频率情况下阻抗匹配情况发生改变，从而使得双工电路在
输出状态下工作的通带中心频率改变，达到中心频率转移的目的以及解决频带固定的问
题。由于第一选频模块3和第二选频模块4是对称的，所以得到的输入输出工作状态下通带
中心频率和工作频带是基本一致的，如图4和图6所示。

[0049] 探头线圈5的(Coil)端口通过输入输出支路的开通和关断，可以改变线圈接收和检测生成信号的状态。NMR中探头线圈在输入支路导通时会将射频信号作用到样品原子核；
在关断输入支路，输出支路导通时，会在线圈内感应出FID信号，这时可以将FID信号传输到
输出端。

[0050] 在本发明实施例中，输入输出支路的开通和关断状态的切换是通过二极管偏置电压BIAS1和BIAS2来改变的，给高电平时二极管导通，相应的支路也导通；给低电平时二极管
截止，相应的支路就关断。BIAS1给高电平，BIAS2给低电平，输入支路导通，线圈接收输入的
射频信号，相反，输出支路导通，线圈输出检测到的FID信号。

[0051] 在本发明实施例中，在第一直流偏置模块1中利用两对反向放置的PIN二极管D1、D2、D3、D4通过改变第一直流偏置模块1中第一直流偏置电压BIAS1的大小来控制支路的开
关切换状态；在第二直流偏置模块2中，利用一对反向放置的PIN二极管D5和D6通过改变直
流偏置模块2中第二直流偏置电压BIAS2的大小来控制支路的开关状态。两对PIN二极管并
联在一定程度上减小了射频输入端口到探头线圈端口的插入损耗，确保绝大部分射频功率
施加到样品上；探头线圈端口到输出端口采取一对PIN二极管则在一定程度上增加了对射
频输入端口的隔离度，避免了泄露的功率损坏输出端口处的低噪声放大器。

[0052] 在射频输入端和输出端通过pF级小电容C4和C8调节端口输入阻抗，使得端口阻抗尽量匹配在50欧附近，保持低电压驻波比，同时利用开关S1和开关S2通过与射频输入端口
和输出端口并联将泄漏的能量转移，又进一步优化了双工的隔离度。且在射频输入端和输
出端，隔直电容C3和隔直电容C7避免了直流偏置信号对射频输入端前置功率放大器以及输
出端后级信号放大器造成损坏。在第一选频模块3和第二选频模块4中，隔直电容C1和隔直
电容C5避免了直流偏置信号进入探头线圈，并可以通过改变选频电感L1、选频电感L2、选频
电感L7和选频电感L8的值，可以实现双工器工作中心频率的转移。

[0053] 该双工电路中电感L1、L2、L5、L6、L7、L8、L11和L12不仅为直流偏置信号提供了回路，还与电容C1、C3、C5和C7耦合确定双工的中心频率以及频带。微带线MLIN1—MLIN6以及
MTEE则为元件的放置提供了间隔，便于元件的焊接以及确保在添加射频功率信号时二极管
及其他元器件的散热。

[0054] 为了更进一步的说明本发明实施例提供的低插损可调频式宽带脉冲NMR射频双工器，现结合附图详述双工器的工作过程如下：

[0055] 首先通过第一直流偏置电压BIAS1和第二直流偏置电压BIAS2控制PIN二极管来连接射频输入端口到探头线圈端口支路以及隔断射频输入端口到输出端口支路，同时打开开
关S1，关断开关S2，将开关S1与输出端口并联，这样可以使射频输入端口输入的功率射频信
号施加到探头线圈上。其中第一选频模块3和第二选频模块4中由多个电感串联而成，通过
改变串联电感接入电路地的节点位置，可以改变第一选频模块3和第二选频模块4中电感
L1、电感L2、电感L7和电感L8接入双工电路有效值的大小，从而改变谐振频率得到中心频率
不同的高频率大带宽的射频双工器。

[0056] 如图3所示，为电感L1、电感L2、电感L7和电感L8接入电路等效电感值不同时得到的仿真图，其中实线表示电感L1、电感L2、电感L7和电感L8的值为第一电感值，虚线表示电
感L1、电感L2、电感L7和电感L8的值为第二电感值；且第一电感值小于第二电感值，由于接
入的电感值变大，通带中心频率变小，双工器的中心频率由1.3GHz左右转换到1.1GHz左右，
且在一定范围内改变中心频率都能在保证射频输入端口电压驻波比在1.3以下(发射功率
占98％)，覆盖的带宽有700MHz。

[0057] 如图4所示在添加射频激励时射频输入端口和探头线圈端口的插入损耗在0.3dB以下，其中实线表示电感L1、电感L2、电感L7和电感L8的值为第一电感值，虚线表示电感L1、
电感L2、电感L7和电感L8的值为第二电感值；且第一电感值小于第二电感值。

[0058] 如图5所示在添加射频激励时输出端口和射频输入端口的隔离度也能在52dB以下，能保证在添加射频激励时射频输入端口的峰值电压限制在1V以下，其中实线表示电感
L1、电感L2、电感L7和电感L8的值为第一电感值，虚线表示电感L1、电感L2、电感L7和电感L8
的值为第二电感值，且第一电感值小于第二电感值。当射频激励停止添加后，关断开关S1，
开通开关S2，同时通过第一直流偏置电压BIAS1和第二直流偏置电压BIAS2导通探头线圈端
口到输出端口的支路，关断探头线圈端口和输出端口的支路，输出端口输出FID信号。

[0059] 如图6所示，在输出FID信号时，探头线圈端口和输出端口的插入损耗在1dB以下，可以确保80％强度以上的FID信号输入到低噪声放大器中，其中实线表示电感L1、电感L2、
电感L7和电感L8的值为第一电感值，虚线表示电感L1、电感L2、电感L7和电感L8的值为第二
电感值；且第一电感值小于第二电感值。除此之外，由于PIN二极管的开关速度取决于载流
子寿命以及直流偏置电流大小，因此可以通过选取合适的PIN二极管以及直流偏置电流将
双工器的切换时间控制在1μs以内。

[0060] 至此，射频双工器实现了切换速度在1μs以内，射频输入电压驻波比在1.3以下，输入插损在0.3dB以下，隔离度在52dB以上以及工作中心频率可以1GHz至1.6GHz范围内调节
(附图中只给出了两种情况)，和工作频带在700MHz左右等性能，达到了脉冲NMR系统中对射
频双工器的要求，且有效降低了脉冲NMR系统的成本。

[0061] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。