核磁共振系統(tǒng)中微波射頻開關的設計與應用

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)絡分析儀分析散射特性價格比較昂貴。所以一般要用開關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)絡分析儀進行分析測量。在核磁共振系統(tǒng)中，一般接收系統(tǒng)的通道個數(shù)小于天線線圈的個數(shù)，所以多路線圈也要應用開關進行切換選擇。

　　目前一般的設計中用現(xiàn)成的開關芯片實現(xiàn)切換功能。但是大多數(shù)的開關芯片可靠性不好，容易損壞，而且供電線路也比較復雜。例如SW-437芯片雖然可以完成簡單的開關功能，但是它對防靜電要求非常高，一般的實驗室和生產(chǎn)車間的條件很難達到廠家的要求，所以實際應用起來很不方便，容易損壞。在本設計中，設計了一種新型的應用pin diodes的射頻開關轉換電路，實現(xiàn)的功能是4路RF輸入信號選擇其中任意2路RF信號輸出。

總體結構設計

　　開關將應用于此共振的測試系統(tǒng)，它基于LabView軟件平臺，由計算機提供給電壓控制信號。該控制信號是數(shù)字信號，只能提供高低電平，高電壓為5V，低電壓為0V，因此需要進行電壓轉換才能提供給開關電路。整個電路由兩部分組成：電壓轉換電路和射頻開關電路。最終，使得當LabView提供5V電壓時，輸入到開關的電壓為10V和0V；當LabView提供0V電壓時，輸入到開關的電壓為0V和10V。

　　電壓轉換電路設計：

　　基于LabView平臺由計算機提供給射頻開關的電壓控制信號是數(shù)字信號，極高電平為5V，低電平為0V，而射頻開關需要的電壓控制信號是10V，因此需要把5V轉換為10V，圖1為轉換電路圖。當輸入信號input1為5V時，Q3導通，Q5截止，Q1導通，所以output1為0V。這時Q4截止，Q6導通，Q2截止，output2輸出VCC為10V。最終，使得當LabView提供5V電壓時，輸入到開關的電壓為10V和0V；而當輸入信號input1為0V時，Q3截止，Q5導通，Q1截止，所以output1為10V。此時Q4導通，Q6截止，Q2導通，output2輸出為0V，輸入到開關的電壓為0V和10V。滿足微波射頻開關的工作電壓。

　　開關電路設計：

　　設計思想：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的輸出。

　　設計步驟如下：

　　1）設計直流控制電路
　　在本電路中二極管用的是INFINEON technologies公司的BA592，導通的最佳性能電流是5mA。所以滿足二極管的要求在設計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)散射特性的要求設計交流信號電路
　　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，一路射頻信號輸出的時候，另外一路信號應該接50R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)頻率的要求應用10nF的耦合電容，對于交流信號短路，而對于直流信號是斷路；應用18μH的耦合電感，對于交流信號斷路，而對于直流信號短路。

　　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，使得二極管D6、D9導通。此時輸入信號input1通過二極管D9輸出，輸入信號input2通過二極管D6輸出。當控制信號反向，即CTRL4加10V電壓，而CTRL3加0V電壓時，二極管D5、D10導通，輸入信號input1通過二極管D5輸出，輸入信號input2通過二極管D10輸出。從而達到兩路輸入信號同時輸出，而且可以通過控制信號的邏輯改變輸入信號輸出方向的目的。

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

　　圖4是整個電路的模塊連接框圖，清晰地表示了模塊之間的邏輯關系，以及信號的傳輸過程。例如當控制邏輯為1111時，輸入信號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，這樣就實現(xiàn)了四路輸入信號只有input1和input2分別從output1和output2輸出。當改變控制邏輯時，就可以選擇想要的輸入信號的輸出。例如控制邏輯如果為1110，則輸出信號為input1和input4。4路控制信號可以控制12種狀態(tài)，對應地建立起數(shù)據(jù)庫，通過LabView編寫相應的程序應用到測試中。