FP: Entwicklung eines HF-Leistungsverstärkers für MRT
Diese Arbeit eignet als FP (aber auch BA oder MA).
Beschreibung
In jeder Sende- und Empfangskette spielt der Hochfrequenz-Leistungsverstärker (RF Power Amplifier) eine zentrale Rolle. Solche Verstärker kommen nicht nur in klassischen Anwendungen wie Mobilfunk, Luft- und Raumfahrt oder Verteidigung zum Einsatz, sondern auch in der Medizintechnik – insbesondere in der Magnetresonanztomographie (MRT).
In MRT-Systemen wird ein leistungsstarker HF-Puls auf der sogenannten Larmorfrequenz ausgesendet – also jener Frequenz, mit der die Wasserstoffkerne (Protonen) im statischen Magnetfeld präzedieren. Bei einem 3-Tesla-MRT-System beträgt diese Frequenz etwa 128 MHz. Der HF-Puls versetzt die Spins der Protonen in einen angeregten Zustand (Excitation). Beim Zurückkehren in den Grundzustand geben die Protonen Energie in Form von HF-Signalen ab, die gemessen und zur Bildrekonstruktion genutzt werden.
Ziele der Arbeit
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Leistungsverstärkers für medizinische Hochfrequenzanwendungen in der MRT. Die Aufgabenstellung wird individuell zugeschnitten – je nach persönlichem Interesse, fachlichen Vorkenntnissen und ECTS-Vorgaben des Studiengangs.
Forschungsfragen
Mögliche Fragestellungen sind z. B.:
- Wie lässt sich der Power-Added Efficiency (PAE) eines Leistungsverstärkers verbessern, insbesondere im Hinblick auf die hohe Verlustleistung und Wärmeentwicklung bei MRT-Anwendungen?
- Wie kann ein kompakter und effizienter Leistungsverstärker im VHF-Bereich (Very High Frequency) – z. B. bei 128 MHz – realisiert werden?
- Welche Verstärker-Topologien ermöglichen das beste Zusammenspiel zwischen Bandbreite, Linearität und Effizienz?
- Welche Balun- oder Koppler-Designs sind für den differentiellen Betrieb in MRT-Anwendungen besonders geeignet?
Arbeitspakete
Aktuell sind verschiedene Teilprojekte verfügbar – von Simulation über Entwurf bis hin zu praktischer Umsetzung. Die Arbeit kann z. B. folgende Bestandteile enthalten:
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Verstärkersimulation und -entwurf mit Keysight ADS
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Balun-/Koppler-Designs mit CST Studio Suite
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Layout-Erstellung in Altium Designer
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Biasing-Schaltungssimulation mit LTspice
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Laborarbeit: Aufbau, Messung, Charakterisierung
Deine Kenntnisse
Was du mitbringen solltest:
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Grundkenntnisse in Elektronik und Schaltungsentwicklung
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Interesse an Hochfrequenztechnik, Medizintechnik und analogem Schaltungsdesign
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Bereitschaft, dich in moderne Tools wie ADS, CST, LTSpice oder Altium einzuarbeiten
Von Vorteil (aber nicht zwingend):
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Erste Erfahrungen im HF-Design und Platinen-Layout
