一種新型微波射頻開關(guān)(4×2)的設(shè)計與應(yīng)用
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通常RF系統(tǒng)中有許多輸入輸出端口，用多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀分析散射特性價格昂貴，一般采用開關(guān)對多輸入多輸出的信號進行切換，然后用比較簡單的二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀進行分析測量。
在核磁共振MR系統(tǒng)中，一般接收系統(tǒng)的通道數(shù)小于天線線圈數(shù)，所以多路線圈也要應(yīng)用開關(guān)進行切換選擇。
目前大多采用現(xiàn)成的開關(guān)器件實現(xiàn)切換功能。但是大多數(shù)的開關(guān)器件可靠性低、易損壞、供電線路復(fù)雜。例如SW-437器件雖然可以完成簡單的開關(guān)功能，但是它對防靜電要求非常高，一般的實驗室和生產(chǎn)車間很難達到器件的要求，所以在實際應(yīng)用中不方便，容易損壞。本文設(shè)計了一種新型的應(yīng)用pin diodes的射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)4路RF輸入信號選擇其中任意2路RF信號輸出功能。
2 電路設(shè)計
利用直流信號控制pin diodes二極管的通斷，輸入射頻信號通過導(dǎo)通的二極管輸出；改變控制邏輯，從而控制輸入射頻信號的輸出。設(shè)計步驟如下：
1)根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計直流控制電路
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。所以滿足二極管的要求在設(shè)計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)計交流信號電路
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。即一路射頻信號輸出的時候，另外一路信號應(yīng)該接50 Ω電阻匹配。由于本電路既有直流信號又有交流信號，因此把二者分開，使其互不影響非常重要。根據(jù)頻率的要求選用10 nF的耦合電容，交流信號短路，而直流信號斷路；而選用18μH的耦合電感，對于交流信號斷路，而直流信號短路。
3)電路基本模塊及其模塊的設(shè)計之間的連接
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，二極管D6、D9導(dǎo)通。這時候輸入信號input1通過二極管D9輸出，輸入信號input2通過二極管D6輸出。當(dāng)控制信號反向，即在CTRL4加10 V電壓，而CTRL3加0 V電壓時，二極管D5、D10導(dǎo)通，輸入信號input1通過二極管D5輸出，輸人信號input2通過二極管D10輸出。從而達到兩路輸人信號同時輸出，而且可以通過控制信號的邏輯轉(zhuǎn)換改變輸入信號輸出方向的目的。
4)印制電路板的設(shè)計
電磁兼容性設(shè)計：為了控制印制電路板的差模輻射，應(yīng)將信號和回線緊靠在一起，減小信號路徑形成的環(huán)路面積。因為信號環(huán)路的作用就相當(dāng)于輻射或接收磁場的環(huán)天線。在本設(shè)計中每個模塊的射頻信號接地路徑最短，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，這個地電位就是共模電壓。當(dāng)連接外部電纜時，電纜被共模電壓激勵形成共模輻射?？刂乒材］椛?，首先要減小共模電壓。本設(shè)計中采用地線網(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；本電路屬于高頻高速電路且滿足2W準(zhǔn)則，W是印制板導(dǎo)線的寬度，即導(dǎo)線間距不小于2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°，導(dǎo)線寬度沒有突變，無突然拐角。
地線設(shè)計：地線設(shè)計是最重要的。地線可以定義為信號流同源的低阻抗路徑，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)是零電阻的實體，各接地點之間沒有電位差。本設(shè)計中，下層板布成接地板，完全接地，各接地點之間沒有電位差。
在PCB板制作中，模塊之間設(shè)置跳線，使得模塊互相獨立，這樣模塊可以單獨測試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時，檢測方便，可迅速查出問題。
3 設(shè)計的性能和優(yōu)點
由于設(shè)計的合理性和對稱性，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)達到-30 dB左右。頻率是由核磁共振的B0場決定的，對于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到-30 dB以下。
在實際應(yīng)用中，對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)計中使刖的pin diodes，克服了以往開關(guān)器件易損壞、可靠性差的缺點。
4 模塊化設(shè)計及其應(yīng)用實例
4.1模塊化設(shè)計
根據(jù)實際應(yīng)用把RFSW(4×2)做成測試盒，由4路射頻輸入端口、2路射頻輸出端口和4路數(shù)字控制信號組成，其功能電路及引腳功能如圖4所示。
在核磁共振MR系統(tǒng)中經(jīng)常需要測試兩路線圈的耦合情況，即測試兩路線圈的傳輸參數(shù)S21，但是一般的線圈都有很多路，比如膝蓋線圈有8路，連接需要測試的2路。應(yīng)用RFSW(4×2)測試盒連接需要測試的2路信號，改變控制信號的邏輯使其導(dǎo)通即可測量。
由于在核磁共振MR系統(tǒng)中接收通道的個數(shù)遠(yuǎn)小于它的天線線圈數(shù)，所以需要應(yīng)用開關(guān)來切換選擇。其中一個應(yīng)用實例就是采用7個RFSW(4×2)實現(xiàn)16路信號任意2路信號的輸出邏輯組合應(yīng)用，然后接到系統(tǒng)上接收信號成像。RFSW(16×2)的邏輯組合框圖如圖5所示。
5 結(jié)束語
在核磁共振(MR)系統(tǒng)中，需要應(yīng)用微波射頻開關(guān)進行接收線圈通道的切換選擇。應(yīng)用pin diodes設(shè)計電路，可靠性得到很大提高，解決了一般開關(guān)器件可靠性差、容易損壞的問題。由于設(shè)計的合理性，此微波射頻開關(guān)的反射系數(shù)、傳輸系數(shù)、隔離度都非常理想。本設(shè)計高度模塊化，使得電路故障的檢測變得容易。另外，本設(shè)計的應(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。
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