引言

　　通常RF系統(tǒng)中有許多輸入輸出的端口，用多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀分析散射特性價(jià)格比較昂貴,。所以一般要用開關(guān)對(duì)多輸入多輸出的信號(hào)進(jìn)行切換,，然后用比較簡單的二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析測(cè)量。在核磁共振" title="核磁共振">核磁共振系統(tǒng)中,，一般接收系統(tǒng)的通道個(gè)數(shù)小于天線線圈的個(gè)數(shù),，所以多路線圈也要應(yīng)用開關(guān)進(jìn)行切換選擇。

　　目前一般的設(shè)計(jì)中用現(xiàn)成的開關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)切換功能,。但是大多數(shù)的開關(guān)芯片可靠性不好,，容易損壞，而且供電線路也比較復(fù)雜,。例如SW-437芯片雖然可以完成簡單的開關(guān)功能,，但是它對(duì)防靜電要求非常高，一般的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間的條件很難達(dá)到廠家的要求,，所以實(shí)際應(yīng)用起來很不方便,，容易損壞。在本設(shè)計(jì)中,，設(shè)計(jì)了一種新型的應(yīng)用pin diodes的射頻" title="射頻">射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換電路,，實(shí)現(xiàn)的功能是4路RF輸入信號(hào)選擇其中任意2路RF信號(hào)輸出。

　　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　開關(guān)將應(yīng)用于此共振的測(cè)試系統(tǒng),，它基于LabView軟件平臺(tái),，由計(jì)算機(jī)提供給電壓控制信號(hào)。該控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào),，只能提供高低電平,，高電壓為5V，低電壓為0V,，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換才能提供給開關(guān)電路,。整個(gè)電路由兩部分組成：電壓轉(zhuǎn)換電路和射頻開關(guān)電路。最終,，使得當(dāng)LabView提供5V電壓時(shí),，輸入到開關(guān)的電壓為10V和0V；當(dāng)LabView提供0V電壓時(shí),，輸入到開關(guān)的電壓為0V和10V,。

　　電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：

　　基于LabView平臺(tái)由計(jì)算機(jī)提供給射頻開關(guān)的電壓控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，極高電平為5V,，低電平為0V,，而射頻開關(guān)需要的電壓控制信號(hào)是10V，因此需要把5V轉(zhuǎn)換為10V,，圖1為轉(zhuǎn)換電路圖,。當(dāng)輸入信號(hào)input1為5V時(shí)，Q3導(dǎo)通,，Q5截止,，Q1導(dǎo)通，所以output1為0V,。這時(shí)Q4截止,，Q6導(dǎo)通，Q2截止,，output2輸出VCC為10V,。最終，使得當(dāng)LabView提供5V電壓時(shí),，輸入到開關(guān)的電壓為10V和0V,；而當(dāng)輸入信號(hào)input1為0V時(shí)，Q3截止,，Q5導(dǎo)通,，Q1截止，所以output1為10V,。此時(shí)Q4導(dǎo)通,，Q6截止，Q2導(dǎo)通,，output2輸出為0V,，輸入到開關(guān)的電壓為0V和10V。滿足微波" title="微波">微波射頻開關(guān)的工作電壓,。
 

　　開關(guān)電路設(shè)計(jì)：

　　設(shè)計(jì)思想：利用直流信號(hào)控制pin diodes二極管的通斷,，輸入射頻信號(hào)通過導(dǎo)通的二極管輸出；改變控制邏輯,，從而改變控制輸入射頻信號(hào)的輸出,。

　　設(shè)計(jì)步驟如下：

　　1）設(shè)計(jì)直流控制電路
　　在本電路中二極管用的是INFINEON technologies公司的BA592，導(dǎo)通的最佳性能電流是5mA,。所以滿足二極管的要求在設(shè)計(jì)中加入的控制電壓是10V,，回路電阻R7、R8,、R11,、R12的大小均為10K。

　　2）根據(jù)散射特性的要求設(shè)計(jì)交流信號(hào)電路
　　由于電路工作的中心頻率為63.6MHz,，屬于高頻段,，因此要保證輸入輸出端口的匹配,。具體來說，一路射頻信號(hào)輸出的時(shí)候,，另外一路信號(hào)應(yīng)該接50R電阻匹配,。由于本電路既有直流信號(hào)又有交流信號(hào)，因此把二者分開,，使其互不影響非常重要,。根據(jù)頻率的要求應(yīng)用10nF的耦合電容，對(duì)于交流信號(hào)短路,，而對(duì)于直流信號(hào)是斷路,；應(yīng)用18μH的耦合電感，對(duì)于交流信號(hào)斷路,，而對(duì)于直流信號(hào)短路,。

　　3）基本模塊及模塊之間的連接
　　圖2和圖3是基本模塊。圖2是兩輸入兩輸出模塊(2x2)：在CTRL3,、CTRL4之間加入10V的直流電壓,，即在CTRL3加10V電壓，CTRL4加0V電壓時(shí),，使得二極管D6,、D9導(dǎo)通。此時(shí)輸入信號(hào)input1通過二極管D9輸出,，輸入信號(hào)input2通過二極管D6輸出,。當(dāng)控制信號(hào)反向，即CTRL4加10V電壓,，而CTRL3加0V電壓時(shí),，二極管D5、D10導(dǎo)通,，輸入信號(hào)input1通過二極管D5輸出,，輸入信號(hào)input2通過二極管D10輸出。從而達(dá)到兩路輸入信號(hào)同時(shí)輸出,，而且可以通過控制信號(hào)的邏輯改變輸入信號(hào)輸出方向的目的,。
 

　　圖3是兩輸入一輸出模塊(2x1)：控制信號(hào)7，8控制二極管的通斷,，實(shí)現(xiàn)二極管D13,、D16同時(shí)導(dǎo)通或者二極管D14、D15同時(shí)導(dǎo)通,，與模塊1相同,。但是兩路輸入信號(hào)只有一路輸出，另外一路輸出接50R電阻實(shí)現(xiàn)匹配，從而實(shí)現(xiàn)兩路輸入一路輸出,，而且可以實(shí)現(xiàn)通過控制信號(hào)選擇哪一路輸出的功能,。

　　圖4是整個(gè)電路的模塊連接框圖，清晰地表示了模塊之間的邏輯關(guān)系,，以及信號(hào)的傳輸過程,。例如當(dāng)控制邏輯為1111時(shí)，輸入信號(hào)input1和input3通過二極管從上面的通路輸入2x1輸出模塊,，由于控制邏輯為高，只有input1可以從output1輸出,；而輸入信號(hào)input2和input4通過二極管從下面的通路輸入下方的2x1輸出模塊,，同樣由于控制邏輯為高，只有input2可以從output1輸出,，這樣就實(shí)現(xiàn)了四路輸入信號(hào)只有input1和input2分別從output1和output2輸出,。當(dāng)改變控制邏輯時(shí)，就可以選擇想要的輸入信號(hào)的輸出,。例如控制邏輯如果為1110,，則輸出信號(hào)為input1和input4。4路控制信號(hào)可以控制12種狀態(tài),，對(duì)應(yīng)地建立起數(shù)據(jù)庫,，通過LabView編寫相應(yīng)的程序應(yīng)用到測(cè)試中。

 

　　4）印制電路板的設(shè)計(jì)

　　1．電磁兼容性設(shè)計(jì)：為了控制印制電路板的差模輻射,，應(yīng)將信號(hào)和回線緊靠在一起,，減小信號(hào)路徑形成的環(huán)路面積，因?yàn)樾盘?hào)環(huán)路的作用就相當(dāng)于輻射或接收磁場(chǎng)的環(huán)天線,。在本設(shè)計(jì)中每個(gè)模塊的射頻信號(hào)接地路徑最短,，減少了差模輻射；共模輻射是由于接地面存在地電位造成的,，這個(gè)地電位就是共模電壓,。當(dāng)連接外部電纜時(shí)，電纜被共模電壓激勵(lì)形成共模輻射,?？刂乒材］椛洌紫纫獪p小共模電壓,。本設(shè)計(jì)中采用地線網(wǎng)絡(luò)和接地平面,，布成雙層版，全部在上層走線,，下層全部鋪地,，合理選擇了接地點(diǎn)；本電路屬于高頻高速電路，滿足2W準(zhǔn)則（W是印制板導(dǎo)線的寬度,，即導(dǎo)線間距不小于兩倍導(dǎo)線寬度）,，以減小串?dāng)_。此外,，射頻導(dǎo)線短,、寬、均勻,、直,，轉(zhuǎn)彎處采用45°角，導(dǎo)線寬度沒有突變,，沒有突然拐角,。

　　2．地線設(shè)計(jì)：地線設(shè)計(jì)是最重要的設(shè)計(jì)，往往也是難度最大的一部分,。"地線"可以定義為信號(hào)流回源的低阻抗路徑,，它可以是專用的回線，也可以是接地平面,，有時(shí)也可以采用產(chǎn)品的金屬外殼,。理想的"地"應(yīng)是零電阻的實(shí)體，各接地點(diǎn)之間沒有電位差,。本設(shè)計(jì)中,，下層板布成接地板，完全鋪地,，各接地點(diǎn)之間沒有電位差,。在PCB版制作中，模塊之間設(shè)置跳線,，使得模塊之間互相獨(dú)立,，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時(shí),，方便檢測(cè),，迅速查出問題所在。

　　3．在PCB版制作中,，模塊之間設(shè)置跳線,，使得模塊之間互相獨(dú)立，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能,，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時(shí),，方便檢測(cè)，迅速查出問題所在,。

　　設(shè)計(jì)的性能和優(yōu)點(diǎn)
　　1）由于設(shè)計(jì)的合理性和對(duì)稱性,，保證了在一定的帶寬（120MHz）內(nèi)很低的傳輸損耗,，如圖5（S21）所示。其中S21表示的是：對(duì)于一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò),，當(dāng)其他端口都匹配,，即接50R電阻匹配時(shí)，所測(cè)兩端口的傳輸,，其物理公式：S21=Uout / Uin,。曲線在中心頻率63.6MHz、帶寬120MHz的條件下,，保持了很低的傳輸損耗,，大約為-0.29dB，而且在整個(gè)帶寬內(nèi)性能很穩(wěn)定,。
　　2）電感的隔交流作用和電容的隔直流作用,，保證了輸入輸出端口良好的匹配，得到很好的反射系數(shù),，如圖5（S11，S22)）所示,，在中心頻率63.6MHz處,，反射系數(shù)可以達(dá)到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場(chǎng)大小決定的,，對(duì)于1.5T系統(tǒng)共振頻率為63.6MHz,。
　　3）保證了很好的隔離度，如圖6所示,，中心頻率處隔離度達(dá)到-30 dB以下,。

　　4）在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于使用頻率高的電子元器件一個(gè)最重要的性能和指標(biāo)就是對(duì)于應(yīng)用環(huán)境要求不能太苛刻,，可靠性要好,，不易損壞。在本設(shè)計(jì)中由于使用了pin-diodes,，電路的可靠性得以明顯提高,，克服了以往的開關(guān)芯片容易損壞，可靠性差的缺點(diǎn),。

　　模塊化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用實(shí)例

　　1．成品所做成的元器件,，其功能電路及其引腳功能如圖7所示。
　　2．應(yīng)用實(shí)例：由于在核磁共振系統(tǒng)中接收通道的數(shù)目遠(yuǎn)小于它的天線線圈數(shù)目,，所以需要應(yīng)用開關(guān)來切換選擇,。其中一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是采用7個(gè)RFSW（4x2）應(yīng)用如圖8的邏輯組合，可以實(shí)現(xiàn)16路信號(hào)任意2路信號(hào)的輸出,，然后接到系統(tǒng)上接收信號(hào)成像,。

　　結(jié)論

　　由于設(shè)計(jì)的合理性，此微波射頻開關(guān)參數(shù)（反射系數(shù)、傳輸系數(shù),、隔離度）非常理想,。本設(shè)計(jì)高度模塊化，使得電路故障的檢測(cè)變得容易,。另外,，本設(shè)計(jì)應(yīng)用靈活，4輸入2輸出可以利用一定的組合邏輯得到想要的輸入輸出組合,。在核磁共振系統(tǒng)中,，16輸入2輸出得到廣泛應(yīng)用。