Técnicas de calibración para la verificación y el ajuste de amplificadores de RF para resonancia magnética con un medidor de potencia intercalado | Revista Española de Electrónica
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Técnicas de calibración para la verificación y el ajuste de amplificadores de RF para resonancia magnética con un medidor de potencia intercalado

El uso de escáneres de resonancia magnética (RM) ha aumentado enormemente en las tres últimas décadas. Si bien las radiografías tradicionales todavía suelen emplearse para diagnosticar huesos rotos y determinadas patologías de los tejidos blandos, hoy en día la RM se ha convertido en una importante herramienta de diagnóstico clínico. Ofrece un método no invasivo para obtener imágenes internas del cuerpo humano y diagnosticar enfermedades como lesiones en los ligamentos, tumores cerebrales o lesiones de la médula espinal.

 

Uno de los componentes principales de la RM es el tubo magnético horizontal donde se coloca al paciente durante el procedimiento. Por regla general, este tubo está compuesto de imanes superconductores formados por bobinas excitadas por corriente eléctrica, de modo que crean un potente campo magnético dentro del tubo que obliga a los núcleos de hidrógeno situados en el interior del cuerpo humano a alinearse paralela o antiparalelamente al campo magnético.

Durante el procedimiento de RM, un amplificador de RF inyecta la señal de excitación de RF (normalmente dentro del rango de 40 a 300 MHz) en el tubo magnético, lo que hace que los núcleos que se encuentran en estado paralelo pasen a un estado antiparalelo. Una vez finalizada la excitación de RF, los núcleos en estado antiparalelo volverán poco a poco al estado paralelo de forma espontánea. Estos cambios hacen que los tejidos corporales emitan una radiación electromagnética que la RM mide para determinar las características de la estructura de dichos tejidos.

La precisión de potencia del amplificador de RF que controla la señal de excitación de RF se verifica periódicamente y se ajusta cuando sea necesario para garantizar que satisfaga las especificaciones de la normativa. La verificación y el ajuste pueden realizarse utilizando un equipo de prueba, como un medidor de potencia o un osciloscopio.

 

Verificación y ajuste de RM con un medidor de potencia intercalado

 

Los medidores de potencia proporcionan una buena precisión y medidas intuitivas, puesto que muestran la potencia medida en la unidad que el usuario prefiera: kW o dBm. Si usted utiliza un osciloscopio, puede consultar una tabla de tensión pico a pico (Vpp) que establezca una correspondencia con la potencia en kW o dBm. [Nota: Para ello, primero debe obtenerse el valor Vrms de Vpp y, a continuación, convertirlo a potencia en vatios utilizando la fórmula V2rms/R, donde R es la impedancia de entrada del sistema de medida.]

Los medidores de potencia son capaces de seguir y medir la envolvente de potencia de RF en un rango dinámico de potencia y una banda de frecuencia utilizables amplios. Ofrecen funciones de disparo parecidas a las de los osciloscopios y una configuración de medida flexible. Si todo funciona con normalidad, el medidor de potencia mostrará la señal de pulso de excitación de RF, tal como se ve en la Figura 1.

La mayor parte de los medidores pueden medir de forma rápida y precisa la potencia media y la potencia pico de una señal de excitación en forma de pulso (rectangular, trapezoidal, sinusoidal, etc.). Es normal obtener unas velocidades de medida de más de 40 lecturas por segundo y una precisión superior al 5% en todo el rango de frecuencias de funcionamiento. La precisión se puede trazar según estándares nacionales de laboratorios nacionales acreditados, por ejemplo, el NIST (Instituto Nacional de Normas y Tecnología de EE. UU.) o el NPL (Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido). A la vista de estas ventajas, el uso de los medidores de potencia para realizar verificaciones y ajustes de RM en hospitales, laboratorios y plantas de fabricación se ha extendido considerablemente entre los ingenieros y los técnicos.

Los sensores de potencia convencionales (el dispositivo sensor del medidor de potencia) únicamente funcionan en el rango dinámico de potencia de 1 nW (-60 dBm) a 100 mW (20 dBm). Con el fin de poder utilizar un sensor de potencia para medir señales de RF para RM, que suelen situarse en un rango de kW, primero es necesario reducir la potencia de entrada conectando un acoplador direccional o un atenuador al sensor de potencia para formar un medidor de potencia intercalado (Figura 2).

En caso de utilizarse un acoplador, seleccionando el factor de acoplamiento adecuado es posible atenuar una señal de excitación de RF emitida a una potencia extremadamente elevada desde el amplificador de RF a un nivel de potencia menor en el brazo de acoplamiento, donde se puede medir con un sensor de potencia convencional. Por ejemplo, para medir una señal de excitación de RF con una potencia media de 2 kW (63 dBm), se puede recurrir a un acoplador con un factor de acoplamiento de 60 dB, que reducirá el nivel de potencia hasta 3 dBm en la salida del brazo de acoplamiento.

En aplicaciones de campo, la entrada del acoplador se conecta a la salida del amplificador de RF para RM, la salida del acoplador se conecta a una carga de alta potencia, el sensor de potencia se conecta a un puerto acoplado hacia adelante y el puerto acoplado hacia atrás se termina con una carga de 50 Ω. En función de la aplicación, a veces se sustituye la carga de terminación de 50 Ω del puerto acoplado hacia atrás por un sensor de potencia para medir la potencia de RF reflejada desde la carga de alta potencia. En esos casos, el nivel de potencia de la señal de excitación de RF se mide en el puerto acoplado hacia adelante.

La mayor parte de la potencia incidente (señal de excitación de RF) que se propaga por el acoplador se disipa en forma de calor (un acoplador con una pérdida de inserción de 0,1 dB hará que se disipe alrededor de un 2,28% de la potencia de entrada en forma de calor dentro de la carcasa del acoplador), o bien es absorbida por la carga de alta potencia.

 

Técnicas de caracterización y calibración del medidor de potencia intercalado

 

Antes de utilizar el medidor de potencia intercalado para realizar ajustes en la RM, es necesario caracterizar y calibrar correctamente el acoplador direccional y el sensor de potencia utilizando un equipo de prueba trazable para minimizar la desadaptación y los errores entre las interfaces de conexión, lo que mejora la precisión y la repetibilidad de las medidas.

Para llevar a cabo la calibración, lo mejor es tener todos los componentes conectados formando un único sistema, es decir, conectar el acoplador al sensor de potencia y este al medidor de potencia. A continuación, el equipo de prueba inyecta una señal en la entrada del acoplador para adquirir las respuestas del medidor de potencia intercalado. No obstante, un factor de acoplamiento elevado incrementa la dificultad de la calibración, puesto que reduce drásticamente la relación señal-ruido (SNR) en el sensor de potencia. La alternativa consiste en utilizar un amplificador de muy alta potencia con el fin de proporcionar potencia suficiente al acoplador para que genere una SNR razonable al entrar en el sensor de potencia. El inconveniente de este planteamiento radica en que el sistema de prueba presenta unos costes iniciales y de mantenimiento más elevados.

Existe una técnica más efectiva y económica: calibrar el sensor de potencia, el medidor de potencia y el acoplador direccional por separado.

La caracterización del medidor de potencia intercalado se compone, básicamente, de tres parámetros: calibraciones de frecuencia, potencia y temperatura. Mediante la caracterización de estos tres parámetros, el medidor de potencia intercalado proporcionará un resultado preciso y repetible por lo que respecta a la frecuencia instantánea, la potencia de RF de entrada y la temperatura ambiente medidas.

 

Calibración de las respuestas de frecuencia

 

Utilizando la técnica de calibración más económica, las respuestas de frecuencia del sensor de potencia y del acoplador se calibran por separado. Se mide tanto el coeficiente de onda estacionaria (VSWR) como la respuesta de frecuencia del sensor de potencia. El acoplador se puede calibrar utilizando un analizador vectorial de redes para obtener los parámetros s, que indican las características de RF del dispositivo como la desadaptación de RF, la pérdida de inserción, el factor de acoplamiento y la directividad. A continuación, las respuestas de frecuencia del sensor de potencia y el acoplador se combinan matemáticamente utilizando la regla de Mason.

La regla de Mason es una fórmula general derivada del modelo del flujo de señal de un sistema de RF, que en este caso es un dispositivo de 4 puertos, tal como ilustra la Figura 3.

 

El factor de acoplamiento efectivo mirando desde el puerto 4 (el puerto acoplado hacia adelante que está conectado al sensor de potencia) puede calcularse aplicando la regla de Mason

donde:

 

 

El resultado de este cálculo combinado con la respuesta de frecuencia del sensor de potencia permite obtener una respuesta de frecuencia combinada.

En la Figura 4 se observa un ejemplo de respuesta de frecuencia combinada.

El gráfico muestra la característica de frecuencia referenciada a 50 MHz. Los datos se utilizan para compensar el error en cada punto de frecuencia de la medida.

 

Calibración de la temperatura y la potencia

 

Mientras que la calibración de la potencia afecta a la calibración de la linealidad de un dispositivo, la calibración de la temperatura garantiza que los resultados de medida sean fidedignos a distintas temperaturas de funcionamiento. Casi todos los diodos de detección de RF (el circuito integrado de detección dentro del sensor de potencia) se comportan de forma lineal dentro de la región de ley cuadrada situada normalmente por debajo del nivel de potencia de -20 dBm y presentan no linealidad por encima de -20 dBm. En otras palabras, la sensibilidad del detector de RF varía de forma no lineal por encima de -20 dBm, por lo que llevar a cabo calibraciones de linealidad garantizará la compensación del error de no linealidad.

Las características de temperatura y potencia suelen mostrar una fuerte dependencia, motivo por el cual estos parámetros suelen calibrarse al mismo tiempo.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo. La principal característica procede del diodo de detección, mientras que el resto de los componentes electrónicos desempeñan un papel secundario.

 

Conclusión

 

La capacidad para realizar ajustes precisos y repetibles en la potencia de RF para RM es fundamental para garantizar el cumplimiento de las normas establecidas por las autoridades del sector médico. Una técnica de calibración fiable nos permitirá estar seguros de que alcanzamos el objetivo.


Etiquetas
medidor de radiofrecuencia; amplificador de radiofrecuencia; calibracion osciloscopio; amplificador de rf


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