一种核磁共振射频天线电路及其阻抗匹配方法与流程

本发明涉及油气开发与勘探领域，具体地说，涉及一种用于核磁共振录井和岩性分析的射频天线电路及其阻抗匹配方法。

背景技术：

核磁共振录井和岩性分析仪器测量来自在地层中岩石的自旋核，通常是h元素的质子的核磁共振信号的幅度和衰变常数。初始信号的幅度主要指示总孔隙度的大小，而时间衰变被分解成为指数衰变，表示横向驰豫时间。驰豫时间1～2是自旋-自旋相互作用的度量，它提供有关形成物的孔隙尺寸，流体类型和渗透率。这些参数是重要的岩石物理量，这也是核磁广泛应用在测井、录井领域的原因。

核磁共振录井和岩性分析仪器的测量精度对被测量信号的噪声比非常敏感。信噪比主要由静磁场的强度、射频场的强度和这两个场在传感区域中的相对方位确定。在一个测量过程当中，射频场被用来把磁化翻转到另一个面(通常垂直于静磁场方向)，以便在接收天线中生成核磁共振信号。核磁录井和岩性分析仪器使用的射频天线通常工作在400khz-40mhz。

为了有效触发核磁共振现象产生，需要产生非常强的射频功率信号，因此功率放大器、天线阻抗匹配和谐振频率调整必不可少。功率放大器、天线阻抗匹配和谐振频率调整的相互配合，最终提供稳定增益的功率输出信号，并能够对脉冲输入信号进行放大。现有技术大多采用多个电容串并联的方式来实现阻抗匹配和谐振频率调整已达到应用需要。

为了实现多种脉冲序列的核磁共振试验，功率放大器、天线阻抗匹配和谐振频率调整需要满足不同方法的应用要求，且尽可能的减少能量消耗，增加稳定性。图1和图2为现有的阻抗匹配和谐振频率调整电路的结构。采用多个电容串并联的方式来实现阻抗匹配和谐振频率调整已达到应用需要。但是这种方法存在的问题是，当调解任何一个电容时，同时对阻抗和谐振频率都有影响。因此当先调好谐振频率以后，再调阻抗的时候，谐振频率又发生变化达不到要求，或者反之亦 然。这种方式需要不断迭代两个或更多的电容来达到理想的谐振频率和阻抗的目的。这样调节起来非常繁琐，而且由于电容本身调节时精度的限制，很难达到理想的效果。

因此，亟需一种可以独立分别进行阻抗匹配和谐振频率调整的射频天线电路。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的用于核磁共振测井的射频天线电路阻抗和调谐频率不能独立调节的技术缺陷。

本发明提供一种核磁共振射频天线电路，包括：

串联谐振回路，其包括串联连接的射频天线单元，调谐电容单元和电阻单元；

射频功率放大器，其用于对输入脉冲信号进行功率放大处理；

射频变压器，其主线圈与所述串联谐振回路连接，从线圈与所述射频功率放大器连接；

其中，调谐电容单元的电容数值确定所述核磁共振射频天线电路的谐振频率，且主从线圈的匝数比以及/或者电阻单元的阻抗数值确定所述核磁共振射频天线电路的阻抗。

在一个实施例中，所述射频变压器的主线圈的第一端连接所述调谐电容单元的第一端，所述调谐电容单元的第二端连接所述射频天线单元的第一端，所述射频天线单元的第二端连接所述电阻单元的第一端，所述电阻单元的第二端连接所述射频变压器的主线圈的第二端。

在一个实施例中，所述调谐电容单元包括可调节电容。

在一个实施例中，当所述核磁共振射频天线电路工作在谐振状态时，根据下述表达式调整谐振频率：

其中，l表示射频天线单元的内置电感，c表示调谐电容单元的电容，ω表示谐振频率。

在一个实施例中，当所述核磁共振射频天线电路工作在谐振状态时，所述核磁共振射频天线电路的等效阻抗为：

其中，z0表示从线圈的输入阻抗，rc表示电阻单元的阻抗，ns表示从线圈的匝数，np表示主线圈的匝数。

根据本发明的另一方面，还提供一种阻抗匹配方法，用于上述的核磁共振射频天线电路，该方法包括：

调节调谐电容单元的电容使得串联谐振回路工作在预设的谐振频率；

调节射频变压器的主从线圈的匝数比以及/或者电阻单元的阻抗数值确定所述核磁共振射频天线电路的阻抗。

在一个实施例中，调节所述核磁共振射频天线电路的阻抗的步骤与调节所述核磁共振射频天线电路的谐振频率的步骤相独立。

在一个实施例中，在调节所述核磁共振射频天线电路的阻抗的步骤中包括：

调整射频变压器的主线圈匝数以及/或者从线圈匝数。

本发明的实施例首先确定谐振频率，且只需调节一个电容的大小就可调整谐振频率。当谐振频率调节完成以后，测量其阻抗，再调节电阻和变压器的匝数比来调节到最优的阻抗。从而可以实现谐振频率和阻抗的相对独立调节，简化核磁共振系统天线电路的阻抗匹配方法。

此外，受到电容自身电器特性的限制，通常电容的调节精度并不能满足核磁共振系统的阻抗匹配要求。本发明的实施例避免利用电容调节匹配阻抗，而是通过设定射频变压器的主从线圈的匝数比来调整匹配阻抗，能够满足系统灵活设定阻抗的需求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中利用电容网络调节谐振频率和匹配阻抗的电路原理图；

图2为现有技术中利用电容网络调节谐振频率和匹配阻抗的另一种电路原理 图；

图3为本发明实施例的核磁共振射频天线电路的原理性示意图；

图4为本发明实施例的核磁共振射频天线电路的一个优选示例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

本发明的实施例提供一种用于核磁共振录井和岩性分析过程的核磁共振射频天线电路。以下参照图3对该射频天线电路的结构进行详细说明。

该射频天线电路主要包括串联谐振回路31、射频功率放大器32和射频变压器33。其中，串联谐振回路包括串联连接的射频天线单元311，调谐电容单元312和电阻单元313。

射频功率放大器32用于对输入脉冲信号进行功率放大处理。射频变压器33的主线圈与串联谐振回路31连接，从线圈与射频功率放大器32连接。当核磁共振射频天线电路工作在谐振状态时，只有射频功率放大器32和串联谐振回路31实现阻抗匹配和谐振才能对输入脉冲序列提供稳定的增益。

在图3的天线电路中，调谐电容单元的电容数值确定所述核磁共振射频天线电路的谐振频率，且主从线圈的匝数比以及/或者电阻单元的阻抗数值确定所述核磁共振射频天线电路的阻抗。需要说明的是，通过调节电阻单元阻抗的大小和变压器的主从线圈匝数比来确定整个天线电路的阻抗，这两个参数的调整不会影响谐振频率。可以实现谐振频率和阻抗的相对独立调节，这对提高核磁共振系统的性能非常有利。

具体而言，射频变压器33的主线圈的第一端连接调谐电容单元312的第一端，调谐电容单元312的第二端连接射频天线单元311的第一端，射频天线单元311的第二端连接电阻单元313的第一端，电阻单元313的第二端连接射频变压器33的主线圈的第二端。优选的，调谐电容单元312包括可调节电容，以便于灵活调节电容数值。

图4为本发明实施例的核磁共振射频天线电路的一个优选示例。以下参照图4对阻抗匹配方法进行详细说明。

射频变压器主线圈的电流ip与从线圈的电流is的函数关系可以用如下表达式 表示：

其中，np为主线圈的匝数，ns为从线圈的匝数。

类似的，射频变压器的主线圈的电压vp与从线圈的电压vs的函数关系可以用如下表达式表示：

由表达式(1)和(2)可以计算从线圈端看进去的输入阻抗zs的表达函数如下：

其中，zp表示主线圈两端的阻抗。通过表达式(3)可以看出，从线圈端看进去的输入阻抗可以同过改变主线圈或者从线圈的匝数来调节。针对图4中的电路结构，可以进一步将从线圈端看进去的输入阻抗zs表示为：

当产生谐振时，

且产生谐振时所述核磁共振射频天线电路的等效阻抗为：

其中，l表示射频天线单元的内置电感，c表示调谐电容单元的电容，ω表示谐振频率，z0表示从线圈的输入阻抗，rc表示电阻单元的阻抗，ns表示从线圈的匝数，np表示主线圈的匝数。

一般而言，谐振频率范围为400khz-40mhz，利用表达式(5)可以调节调谐电容单元的电容来设定谐振频率。

由表达式(5)和(6)可以看出，谐振频率的调节与匹配阻抗的计算是相对独立的过程。

基于上述分析过程，本发明实施例提供的阻抗匹配方法的具体过程为：先调节调谐电容单元的电容使得串联谐振回路工作在预设的谐振频率；再调节射频变 压器的主从线圈的匝数比以及/或者电阻单元的阻抗数值确定所述核磁共振射频天线电路的阻抗。其中，调节所述核磁共振射频天线电路的阻抗的步骤与调节所述核磁共振射频天线电路的谐振频率的步骤相独立。在调节所述核磁共振射频天线电路的阻抗的步骤中包括调整射频变压器的主线圈匝数以及/或者从线圈匝数。

这样，当谐振频率调整好以后，再通过调节阻抗调节电阻的大小和变压器的主从线圈匝数比来确定整个电路的阻抗，这两个参数的调整不会影响谐振频率。从而避免现有技术中出现的不断迭代处理的繁琐过程。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。