2017, Vol. 34 
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）作为一种分析和检测手段，能够从原子水平上揭示物质的结构和动力学信息，但其主要缺点是固有灵敏度低[1]，因此，磁共振科技工作者一直致力于增强NMR灵敏度的研究.早在1953年，Overhauser就提出了一种基于电子-核极化转移的NMR信号增强技术，即Overhauser效应[2]，这也是动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization, DNP）的理论基础.DNP实验通过微波场饱和电子跃迁，由于电子与核之间的耦合作用，电子跃迁过程中核能级上的布居数也发生相应的变化，致使核极化度增强，从而导致NMR信号的增强[3].理论上，DNP技术可使质子的NMR信号增强660倍[4]，作者所在课题组自主研制的DNP-磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）装置实现了170倍的质子信号增强，并获得了清晰的质子DNP增强图像[5].
随着技术的发展，实验需求的提高，波谱学研究工作者对波谱仪的功能提出了更多的要求.因此，在自主研制的DNP-MRI装置的基础上，提出了一种DNP-电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance, EPR）多功能谱仪的设计方案，并对其中的关键部件之一——微波桥，进行了设计和制作.
通过引入微波桥，我们可以产生用于激发电子极化转移的微波信号，从而得到增强的NMR信号，另外也可以检测EPR信号，获取顺磁物质的结构信息，以及与顺磁中心相互作用的核的信息，从而实现谱仪的多种功能.多功能谱仪系统框图如图 1所示.与传统NMR或EPR谱仪不同的是，它即包括用于获取NMR信号的射频收发通道，也包括用于获取EPR信号的微波收发通道，通过控制台对各个收发通道的时序进行严格的控制即可实现不同的实验需求.
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图 1 多功能谱仪系统框图 Figure 1 Block diagram of multifunctional spectrometer |
微波桥是进行EPR实验必不可少的部分，如图 1中虚线框所示，它包括微波发射机和前置放大单元两个部分，微波发射机用于产生激发电子自旋跃迁的微波信号，微波前置放大单元对EPR信号进行放大和解调.连续波模式下的微波桥结构一般有三种：简单零差式、含“参考旁臂”的高频小调场式和超外差式[6].本文通过对DNP和EPR的实验需求进行分析，设计了能够产生高频谱纯度、高动态范围、连续波和脉冲两用的微波发射机以及噪声系数小的微波前置放大单元.
1 微波桥设计对于一个典型的连续波EPR实验，实验过程中信号的变化是：微波发射部分产生频率和功率可调的微波信号，经过微波放大器放大后送至谐振腔激发电子跃迁.从谐振腔反射回来的EPR信号是一个十分微弱的能量吸收信号.通常，为提高信噪比，采用高频小调场的方式.在静磁场方向加入调制场，将该弱信号调制在一个频率为fm的低频信号上，并通过相敏检波对该信号进行检波放大[7].
DNP实验使用微波信号饱和电子跃迁，所以需要较大的微波功率.微波发射机产生微波脉冲后，需要经过微波功率放大器进行放大，再送至谐振腔激发电子跃迁.
根据实验过程中信号的变化，设计微波桥的结构框图如图 2所示.
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图 2 X波段微波桥整体结构框图 Figure 2 Structure of X band bridge |
微波发射机的作用是产生激发电子共振的微波信号.连续波模式的发射部分比较简单，仅需产生功率可调的固定点频即可，但是为了配合系统多功能的开发，将发射机设计为连续波、脉冲两用的结构.该发射机主要包括中频调制、微波信号合成以及功率调整三个部分.
如图 2所示，连续波模式下，直接数字合成器（Direct Digital Synthesizer, DDS）产生固定中频，通过正交混频器（MIX）正交上变频得到电子跃迁激发信号，这里，用于正交混频的器件选用HMC521LC4；本振信号由带有锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）的压控振荡器HMC769LP6CE提供，其输出频率为9.05~10.15 GHz，可通过现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）进行配置.由于不同环境中电子的激发场强不一样，即微波的输出功率不一样，微波功率过大会导致电子自旋饱和，过小会使信号幅度太小[6]，因此，通过可调衰减器对微波的输出功率进行调整.本文使用两级数字步进衰减器HMC939LP4E进行功率调整，并通过FPGA提供的六位晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）电平控制信号，使其产生步进为1 dB、动态范围为62 dB的衰减变化.脉冲模式下，DDS产生的是带有脉冲调制信息的中频信号.值得注意的是，相对于NMR波谱而言，EPR谱宽较宽，氮氧自由基的EPR谱宽大于200 MHz[8]，所以中频的选择一般要大于200 MHz.除此之外，电路中还加入带通滤波器（Berkeley Packet Filter, BPF）滤除杂波和谐波.
1.2 前置放大单元设计前置放大器单元的功能是对EPR信号进行放大和解析，主要包括三个部分：低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）、检波器以及锁相放大器.LNA对从谐振腔反射回来的微波信号进行放大.检波器将被低频信号fm调制的EPR信号从微波中解调出来，经过锁相放大器与调制信号进行相乘并低通滤波，得到被放大的能量吸收信号的一次微分信号.
由于接收机的灵敏度主要受前端噪声系数的影响[9]，本文在设计过程中特别关注系统的噪声系数.对于级联网络，系统噪声系数计算公式为：
| $F={{F}_{1}}+\frac{{{F}_{2}}-1}{{{G}_{1}}}+\frac{{{F}_{3}}-1}{{{G}_{1}}{{G}_{2}}}+\cdots +\frac{{{F}_{n}}-1}{{{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{n-1}}}$ | (1) |
(1) 式中，Fn和Gn分别表示级联系统中第n级组件的噪声系数和增益.对于无源器件与有源器件的级联可近似为：
| $NF=IL+N{{F}_{LNA}}$ | (2) |
其中，
LNA专门用于放大小信号，其特点是噪声系数低.噪声是电子线路里不可避免的，一般分为两种：电阻热噪声和半导体管的噪声[9].LNA的设计原理是选用噪声系数较小的场效应管，按噪声系数最小进行设计.另外，LNA的端口匹配程度、增益大小、稳定性以及增益平坦度也对EPR信号质量有影响.本文的设计采用两级放大器级联，第一级选用噪声系数较低的NE3511S02，其最小噪声系数为0.35 dB、增益为13.5 dB.第二级选用增益较大、设计较简单的HMC903LP3，其增益为18 dB、噪声系数为1.7 dB.LNA的原理图如图 3所示.
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图 3 低噪声放大器原理图 Figure 3 Schematic diagram of LNA |
图 3中，1、2、3三个部分为匹配电路，4、5两个部分为偏置电路.匹配即阻抗变换，LNA一般匹配至噪声系数最小点，功率放大器一般匹配至功率传输最大点[10].微带电路通常采用短截线进行阻抗变化，其结构简单、易于调试.偏置电路的目的是为晶体管供电的同时不影响信号的传输.一般低频放大器的偏置电路采用扼流电感和旁路电容，选择合适的电感和电容即可，但是在微波电路中，由于寄生参数的影响，不能使用集总参数元件而必须用分布参数元件代替，故用λg/4高阻线TL7和TL8代替电感，其中，λg表示频率为9.8 GHz的电磁波在电路板介质中的波长.用扇形微带结构Stub1和Stub2代替电容构成偏置电路.
设计LNA版图与原理图联合仿真的结果如图 4所示，经过对微带尺寸的手动调谐和多次优化，最终得到比较理想的仿真结果，结果显示：在9.8 GHz处，输入端或波损耗S11 < -20 dB，输出端回波损耗S22 < -19 dB，即该LNA的端口匹配良好；正向增益S21 > 31 dB，反向隔离度S12 > 40 dB，噪声系数NF < 0.6 dB，说明该放大器的增益和噪声系数均满足设计需求.
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图 4 低噪声放大器S参数仿真 Figure 4 S parameter simulated result of LNA |
图 5为微波发射机的信号链路，从PLL输出的本振信号LO设置为9.99 GHz，其输出功率为15 dBm，DDS输出的两路正交的240 MHz中频信号大小为0 dBm，经过混频器有7.5 dB的转换损耗，混频后的微波信号经过带通滤波器后有2.5 dB的插损，后级放大器的放大倍数为16 dB，衰减器的插损为4 dB，经过微波放大器放大12 dB后输出至频谱仪Agilent E4445A观察信号的变化.若电路无损耗，得到微波输出功率应为14 dBm，实际测试得到微波信号的大小为13.6 dBm，说明由于电路设计造成的衰减较小.改变衰减器的控制字，结果显示，在1 dB的步进下，衰减器的衰减偏差小于0.3 dB，且可实现62 dB的动态范围内可调.
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图 5 微波发射机信号链路 Figure 5 Signal link circuit of microwave transmitter |
对于接收部分，由于LNA是微波前放中最重要的一部分，本文将LNA做成一块单板，并对其偏置电压和微带匹配电路进行了调试，调试完成后用矢量网络分析仪ROHDE & SCHWAEZ ZNB20测试LNA的S参数，结果如图 6所示.测试结果显示该LNA在9.5~10 GHz的频段内，增益大于30 dB、增益平坦度小于0.4 dB，且S11 < -15 dB、S22 < -9.8 dB，即LNA的端口匹配较好.用频谱仪Agilent E4445A及噪声源Agilent346A测试LNA的噪声系数和放大倍数，结果（图 7）显示，在9.5 GHz左右，LNA的放大倍数为30.5 dB，噪声系数为1.1 dB.
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图 6 低噪声放大器S参数测试结果 Figure 6 S parameter test result of LNA |
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图 7 低噪声放大器噪声系数测试结果 Figure 7 Noise figure test result of LNA |
根据(1) 式和(2) 式，微波前置放大单元的噪声系数（单位为dB）为：
| $NF=I{{L}_{\text{circulator}}}+N{{F}_{\text{LNA}}}=0.5+1.1=1.6$ | (3) |
本文通过DNP实验以及连续波EPR实验对微波桥的性能进行了验证.两个实验均在自主研制的DNP谱仪上进行，磁场强度为0.35 T.
DNP实验中的微波发射机使用微波桥的发射部分，使用单微波脉冲激发电子自旋跃迁，微波功率为32 W.样品使用溶于水的TEMPO自由基，浓度为20 mmol/L.得到质子的DNP增强信号如图 8所示，图中曲线(a)为未加微波时测得的NMR谱线纵向放大128倍后的谱图，曲线(b)表示加微波后测得的DNP谱图.测试结果显示，质子NMR信号增强倍数为116.
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图 8 质子NMR信号与DNP信号比较 Figure 8 Contrast between NMR signals and DNP signals of proton |
连续波EPR实验所选择的自由基依然是TEMPO，溶剂为CDCl3，样品浓度为20 mmol/L.对于连续波EPR实验，示波器上呈现的是吸收信号的一次微分曲线.测试中所使用的探头为Bruker的双共振探头EN801.调制线圈上输入的交变电流频率为20 kHz，电流峰值为1 A.测得EPR谱图如图 9所示.
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图 9 20 mmol/L TEMPO EPR信号 Figure 9 20 mmol/L TEMPO EPR signals |
在DNP谱仪的基础上，提出了一种多功能谱仪的设计方案，并通过微波桥的设计与实现，验证了该方案的可行性.在微波桥的设计与实现上，通过对实验需求的分析提出了能满足EPR、DNP实验的微波桥设计方案；并通过对微波桥电路的设计、仿真与调试，使其电性能基本满足实验需求；最后，通过DNP实验及连续波EPR实验对微波桥的性能进行了验证.该微波桥基本能满足实验需求，但是其整体性能还需要优化，功能还需要完善.例如，可增加脉冲EPR模式下的前置放大器，实现多功能谱仪的脉冲EPR功能；通过对微波通道和射频通道的门控进行优化，增加射频发射机的扫频功能，可进行用于提高EPR分辨率的ENDOR实验，便于复杂超精细结构的解析.
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