1 引言

　　通常RF系統(tǒng)中有許多輸入輸出端口，用多端口" title="多端口">多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀分析散射特性?xún)r(jià)格昂貴,，一般采用開(kāi)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(jiǎn)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MR系統(tǒng)中,，一般接收系統(tǒng)的通道數(shù)小于天線(xiàn)線(xiàn)圈數(shù),，所以多路線(xiàn)圈也要應(yīng)用開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換選擇。

　　目前大多采用現(xiàn)成的開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)切換功能,。但是大多數(shù)的開(kāi)關(guān)器件可靠性低,、易損壞、供電線(xiàn)路復(fù)雜,。例如SW-437器件雖然可以完成簡(jiǎn)單的開(kāi)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(chē)間很難達(dá)到器件的要求,，所以在實(shí)際應(yīng)用中不方便,，容易損壞。本文設(shè)計(jì)了一種新型的應(yīng)用pin diodes的射頻" title="射頻">射頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路,，實(shí)現(xiàn)4路RF輸入信號(hào)選擇其中任意2路RF信號(hào)輸出功能,。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　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(guò)導(dǎo)通的二極管輸出,；改變控制邏輯,，從而控制輸入射頻信號(hào)的輸出。設(shè)計(jì)步驟如下：

　　1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)直流控制電路

　　本電路二極管采用Infineon公司的BA592,，導(dǎo)通的最佳性能電流是5 mA,。所以滿(mǎn)足二極管的要求在設(shè)計(jì)中加人的控制電壓是10 V，回路電阻R7,，R8,、R11、R12的大小均為10 kΩ。

　　2)根據(jù)散射特性的要求設(shè)計(jì)交流信號(hào)電路

　　電路工作的中心頻率為63.6 MHz,，屬于高頻段,，因此要保證輸入輸出端口的匹配。即一路射頻信號(hào)輸出的時(shí)候,，另外一路信號(hào)應(yīng)該接50 Ω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(kāi),，使其互不影響非常重要,。根據(jù)頻率的要求選用10 nF的耦合電容，交流信號(hào)短路,，而直流信號(hào)斷路,；而選用18μH的耦合電感，對(duì)于交流信號(hào)斷路,，而直流信號(hào)短路,。
　　3)電路基本模塊及其模塊的設(shè)計(jì)之間的連接

　　圖1和圖2是電路的基本模塊。圖1是2輸入2輸出模塊(2×2)：在CTRL3,、CTRL4之間加入10 V的直流電壓,，即在CTRL3加10 V電壓，CTRL4加0 V電壓時(shí),，二極管D6,、D9導(dǎo)通。這時(shí)候輸入信號(hào)input1通過(guò)二極管D9輸出,，輸入信號(hào)input2通過(guò)二極管D6輸出,。當(dāng)控制信號(hào)反向，即在CTRL4加10 V電壓,，而CTRL3加0 V電壓時(shí),，二極管D5、D10導(dǎo)通,，輸入信號(hào)input1通過(guò)二極管D5輸出,，輸人信號(hào)input2通過(guò)二極管D10輸出。從而達(dá)到兩路輸人信號(hào)同時(shí)輸出,，而且可以通過(guò)控制信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換改變輸入信號(hào)輸出方向的目的,。

　　圖2是2輸入1輸出模塊(2×1)：控制信號(hào)7、8控制二極管的通斷,，實(shí)現(xiàn)二極管D13,、D16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(guò)控制信號(hào)選擇哪一路輸出的功能,。

　　圖3是整個(gè)電路的模塊連接框圖，表示了模塊之間的邏輯關(guān)系,，信號(hào)的傳輸過(guò)程如下：當(dāng)控制邏輯為1111時(shí),，輸入信號(hào)input1和input3通過(guò)二極管從上面的通路輸入2×1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(guò)二極管從下面的通路輸入下面的2×1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,。同樣,，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,。當(dāng)控制邏輯為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)建立數(shù)據(jù)庫(kù),，可以通過(guò)Labview編寫(xiě)相關(guān)程序應(yīng)用到測(cè)試中。

　　4)印制電路板的設(shè)計(jì)

　　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(xiàn)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(xiàn),。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而存在地電位造成的,，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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和接地平面,，布成雙層版，全部在上層走線(xiàn),，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且滿(mǎn)足2W準(zhǔn)則，W是印制板導(dǎo)線(xiàn)的寬度,，即導(dǎo)線(xiàn)間距不小于2倍導(dǎo)線(xiàn)寬度,，以減小串?dāng)_。此外,，射頻導(dǎo)線(xiàn)短,、寬、均勻,、直,，轉(zhuǎn)彎處采用45°，導(dǎo)線(xiàn)寬度沒(méi)有突變,，無(wú)突然拐角,。

　　地線(xiàn)設(shè)計(jì)：地線(xiàn)設(shè)計(jì)是最重要的。"地線(xiàn)"可以定義為信號(hào)流同源的低阻抗路徑,，它可以是專(zhuān)用的回線(xiàn),，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(méi)有電位差。本設(shè)計(jì)中,，下層板布成接地板,，完全接地，各接地點(diǎn)之間沒(méi)有電位差,。

　　在PCB板制作中,，模塊之間設(shè)置跳線(xiàn)，使得模塊互相獨(dú)立,，這樣模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能,，當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，檢測(cè)方便,，可迅速查出問(wèn)題,。

　　 3 設(shè)計(jì)的性能和優(yōu)點(diǎn)

　　由于設(shè)計(jì)的合理性和對(duì)稱(chēng)性，保證了在帶寬(120 MHz)內(nèi)傳輸損耗低,。在中心頻率63.6 MHz,，帶寬120 MHz的條件下，保持傳輸損耗低約-0.29 dB,，而且在整個(gè)帶寬內(nèi)性能很穩(wěn)定,。

　　由于電感的隔交流作用，電容的隔直流作用,，保證了輸入輸出端口良好匹配,，得到很好的反射系數(shù),，在中心頻率63.6 MHz處，反射系數(shù)達(dá)到-30 dB左右,。頻率是由核磁共振的B0場(chǎng)決定的,，對(duì)于1.5T系統(tǒng)共振頻率為63.6 MHz。保證很好的隔離度,，中心頻率處隔離度達(dá)到-30 dB以下,。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于使用頻率高的電子元件最重要的性能和指標(biāo)就是應(yīng)用環(huán)境要求不能太苛刻,，可靠性高,，且不易損壞。本設(shè)計(jì)中使刖的pin diodes,，克服了以往開(kāi)關(guān)器件易損壞,、可靠性差的缺點(diǎn)。

　　4 模塊化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用實(shí)例

　　4.1模塊化設(shè)計(jì)

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用把RFSW(4×2)做成測(cè)試盒,，由4路射頻輸入端口,、2路射頻輸出端口和4路數(shù)字控制信號(hào)組成，其功能電路及引腳功能如圖4所示,。

　　4.2應(yīng)用實(shí)例

　　在核磁共振MR系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)試兩路線(xiàn)圈的耦合情況，即測(cè)試兩路線(xiàn)圈的傳輸參數(shù)S21,，但是一般的線(xiàn)圈都有很多路,，比如膝蓋線(xiàn)圈有8路，連接需要測(cè)試的2路,。應(yīng)用RFSW(4×2)測(cè)試盒連接需要測(cè)試的2路信號(hào),，改變控制信號(hào)的邏輯使其導(dǎo)通即可測(cè)量。

　　由于在核磁共振MR系統(tǒng)中接收通道的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于它的天線(xiàn)線(xiàn)圈數(shù),，所以需要應(yīng)用開(kāi)關(guān)來(lái)切換選擇,。其中一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是采用7個(gè)RFSW(4×2)實(shí)現(xiàn)16路信號(hào)任意2路信號(hào)的輸出邏輯組合應(yīng)用，然后接到系統(tǒng)上接收信號(hào)成像,。RFSW(16×2)的邏輯組合框圖如圖5所示,。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　在核磁共振(MR)系統(tǒng)中，需要應(yīng)用微波" title="微波">微波射頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行接收線(xiàn)圈通道的切換選擇,。應(yīng)用pin diodes設(shè)計(jì)電路,，可靠性得到很大提高，解決了一般開(kāi)關(guān)器件可靠性差,、容易損壞的問(wèn)題,。由于設(shè)計(jì)的合理性，此微波射頻開(kāi)關(guān)的反射系數(shù),、傳輸系數(shù),、隔離度都非常理想,。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)的應(yīng)用非常靈活，4輸入2輸出可以利用一定的組合邏輯得到我們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。