一種核磁共振射頻天線電路及其阻抗匹配方法與流程
2023-09-20 12:34:10
本發明涉及油氣開發與勘探領域，具體地說，涉及一種用於核磁共振錄井和巖性分析的射頻天線電路及其阻抗匹配方法。
背景技術：
核磁共振錄井和巖性分析儀器測量來自在地層中巖石的自旋核，通常是h元素的質子的核磁共振信號的幅度和衰變常數。初始信號的幅度主要指示總孔隙度的大小，而時間衰變被分解成為指數衰變，表示橫向馳豫時間。馳豫時間1～2是自旋-自旋相互作用的度量，它提供有關形成物的孔隙尺寸，流體類型和滲透率。這些參數是重要的巖石物理量，這也是核磁廣泛應用在測井、錄井領域的原因。
核磁共振錄井和巖性分析儀器的測量精度對被測量信號的噪聲比非常敏感。信噪比主要由靜磁場的強度、射頻場的強度和這兩個場在傳感區域中的相對方位確定。在一個測量過程當中，射頻場被用來把磁化翻轉到另一個面(通常垂直於靜磁場方向)，以便在接收天線中生成核磁共振信號。核磁錄井和巖性分析儀器使用的射頻天線通常工作在400khz-40mhz。
為了有效觸發核磁共振現象產生，需要產生非常強的射頻功率信號，因此功率放大器、天線阻抗匹配和諧振頻率調整必不可少。功率放大器、天線阻抗匹配和諧振頻率調整的相互配合，最終提供穩定增益的功率輸出信號，並能夠對脈衝輸入信號進行放大。現有技術大多採用多個電容串並聯的方式來實現阻抗匹配和諧振頻率調整已達到應用需要。
為了實現多種脈衝序列的核磁共振試驗，功率放大器、天線阻抗匹配和諧振頻率調整需要滿足不同方法的應用要求，且儘可能的減少能量消耗，增加穩定性。圖1和圖2為現有的阻抗匹配和諧振頻率調整電路的結構。採用多個電容串並聯的方式來實現阻抗匹配和諧振頻率調整已達到應用需要。但是這種方法存在的問題是，當調解任何一個電容時，同時對阻抗和諧振頻率都有影響。因此當先調好諧振頻率以後，再調阻抗的時候，諧振頻率又發生變化達不到要求，或者反之亦 然。這種方式需要不斷迭代兩個或更多的電容來達到理想的諧振頻率和阻抗的目的。這樣調節起來非常繁瑣，而且由於電容本身調節時精度的限制，很難達到理想的效果。
因此，亟需一種可以獨立分別進行阻抗匹配和諧振頻率調整的射頻天線電路。
技術實現要素：
本發明的目的在於解決現有技術中的用於核磁共振測井的射頻天線電路阻抗和調諧頻率不能獨立調節的技術缺陷。
本發明提供一種核磁共振射頻天線電路，包括：
串聯諧振迴路，其包括串聯連接的射頻天線單元，調諧電容單元和電阻單元；
射頻功率放大器，其用於對輸入脈衝信號進行功率放大處理；
射頻變壓器，其主線圈與所述串聯諧振迴路連接，從線圈與所述射頻功率放大器連接；
其中，調諧電容單元的電容數值確定所述核磁共振射頻天線電路的諧振頻率，且主從線圈的匝數比以及/或者電阻單元的阻抗數值確定所述核磁共振射頻天線電路的阻抗。
在一個實施例中，所述射頻變壓器的主線圈的第一端連接所述調諧電容單元的第一端，所述調諧電容單元的第二端連接所述射頻天線單元的第一端，所述射頻天線單元的第二端連接所述電阻單元的第一端，所述電阻單元的第二端連接所述射頻變壓器的主線圈的第二端。
在一個實施例中，所述調諧電容單元包括可調節電容。
在一個實施例中，當所述核磁共振射頻天線電路工作在諧振狀態時，根據下述表達式調整諧振頻率：
其中，l表示射頻天線單元的內置電感，c表示調諧電容單元的電容，ω表示諧振頻率。
在一個實施例中，當所述核磁共振射頻天線電路工作在諧振狀態時，所述核磁共振射頻天線電路的等效阻抗為：
其中，z0表示從線圈的輸入阻抗，rc表示電阻單元的阻抗，ns表示從線圈的匝數，np表示主線圈的匝數。
根據本發明的另一方面，還提供一種阻抗匹配方法，用於上述的核磁共振射頻天線電路，該方法包括：
調節調諧電容單元的電容使得串聯諧振迴路工作在預設的諧振頻率；
調節射頻變壓器的主從線圈的匝數比以及/或者電阻單元的阻抗數值確定所述核磁共振射頻天線電路的阻抗。
在一個實施例中，調節所述核磁共振射頻天線電路的阻抗的步驟與調節所述核磁共振射頻天線電路的諧振頻率的步驟相獨立。
在一個實施例中，在調節所述核磁共振射頻天線電路的阻抗的步驟中包括：
調整射頻變壓器的主線圈匝數以及/或者從線圈匝數。
本發明的實施例首先確定諧振頻率，且只需調節一個電容的大小就可調整諧振頻率。當諧振頻率調節完成以後，測量其阻抗，再調節電阻和變壓器的匝數比來調節到最優的阻抗。從而可以實現諧振頻率和阻抗的相對獨立調節，簡化核磁共振系統天線電路的阻抗匹配方法。
此外，受到電容自身電器特性的限制，通常電容的調節精度並不能滿足核磁共振系統的阻抗匹配要求。本發明的實施例避免利用電容調節匹配阻抗，而是通過設定射頻變壓器的主從線圈的匝數比來調整匹配阻抗，能夠滿足系統靈活設定阻抗的需求。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例共同用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1為現有技術中利用電容網絡調節諧振頻率和匹配阻抗的電路原理圖；
圖2為現有技術中利用電容網絡調節諧振頻率和匹配阻抗的另一種電路原理 圖；
圖3為本發明實施例的核磁共振射頻天線電路的原理性示意圖；
圖4為本發明實施例的核磁共振射頻天線電路的一個優選示例。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細說明。
本發明的實施例提供一種用於核磁共振錄井和巖性分析過程的核磁共振射頻天線電路。以下參照圖3對該射頻天線電路的結構進行詳細說明。
該射頻天線電路主要包括串聯諧振迴路31、射頻功率放大器32和射頻變壓器33。其中，串聯諧振迴路包括串聯連接的射頻天線單元311，調諧電容單元312和電阻單元313。
射頻功率放大器32用於對輸入脈衝信號進行功率放大處理。射頻變壓器33的主線圈與串聯諧振迴路31連接，從線圈與射頻功率放大器32連接。當核磁共振射頻天線電路工作在諧振狀態時，只有射頻功率放大器32和串聯諧振迴路31實現阻抗匹配和諧振才能對輸入脈衝序列提供穩定的增益。
在圖3的天線電路中，調諧電容單元的電容數值確定所述核磁共振射頻天線電路的諧振頻率，且主從線圈的匝數比以及/或者電阻單元的阻抗數值確定所述核磁共振射頻天線電路的阻抗。需要說明的是，通過調節電阻單元阻抗的大小和變壓器的主從線圈匝數比來確定整個天線電路的阻抗，這兩個參數的調整不會影響諧振頻率。可以實現諧振頻率和阻抗的相對獨立調節，這對提高核磁共振系統的性能非常有利。
具體而言，射頻變壓器33的主線圈的第一端連接調諧電容單元312的第一端，調諧電容單元312的第二端連接射頻天線單元311的第一端，射頻天線單元311的第二端連接電阻單元313的第一端，電阻單元313的第二端連接射頻變壓器33的主線圈的第二端。優選的，調諧電容單元312包括可調節電容，以便於靈活調節電容數值。
圖4為本發明實施例的核磁共振射頻天線電路的一個優選示例。以下參照圖4對阻抗匹配方法進行詳細說明。
射頻變壓器主線圈的電流ip與從線圈的電流is的函數關係可以用如下表達式 表示：
其中，np為主線圈的匝數，ns為從線圈的匝數。
類似的，射頻變壓器的主線圈的電壓vp與從線圈的電壓vs的函數關係可以用如下表達式表示：
由表達式(1)和(2)可以計算從線圈端看進去的輸入阻抗zs的表達函數如下：
其中，zp表示主線圈兩端的阻抗。通過表達式(3)可以看出，從線圈端看進去的輸入阻抗可以同過改變主線圈或者從線圈的匝數來調節。針對圖4中的電路結構，可以進一步將從線圈端看進去的輸入阻抗zs表示為：
當產生諧振時，
且產生諧振時所述核磁共振射頻天線電路的等效阻抗為：
其中，l表示射頻天線單元的內置電感，c表示調諧電容單元的電容，ω表示諧振頻率，z0表示從線圈的輸入阻抗，rc表示電阻單元的阻抗，ns表示從線圈的匝數，np表示主線圈的匝數。
一般而言，諧振頻率範圍為400khz-40mhz，利用表達式(5)可以調節調諧電容單元的電容來設定諧振頻率。
由表達式(5)和(6)可以看出，諧振頻率的調節與匹配阻抗的計算是相對獨立的過程。
基於上述分析過程，本發明實施例提供的阻抗匹配方法的具體過程為：先調節調諧電容單元的電容使得串聯諧振迴路工作在預設的諧振頻率；再調節射頻變 壓器的主從線圈的匝數比以及/或者電阻單元的阻抗數值確定所述核磁共振射頻天線電路的阻抗。其中，調節所述核磁共振射頻天線電路的阻抗的步驟與調節所述核磁共振射頻天線電路的諧振頻率的步驟相獨立。在調節所述核磁共振射頻天線電路的阻抗的步驟中包括調整射頻變壓器的主線圈匝數以及/或者從線圈匝數。
這樣，當諧振頻率調整好以後，再通過調節阻抗調節電阻的大小和變壓器的主從線圈匝數比來確定整個電路的阻抗，這兩個參數的調整不會影響諧振頻率。從而避免現有技術中出現的不斷迭代處理的繁瑣過程。
雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發明所公開的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。