一種新型微波射頻開關(guān)(4×2)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
1 引言
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(jià)格昂貴，一般采用開關(guān)對(duì)多輸入多輸出的信號(hào)進(jìn)行切換，然后用比較簡(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)小于天線線圈數(shù)，所以多路線圈也要應(yīng)用開關(guān)進(jìn)行切換選擇。
目前大多采用現(xiàn)成的開關(guān)器件實(shí)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(jiǎn)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的射頻開關(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，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通過二極管D5輸出，輸人信號(hào)input2通過二極管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。
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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?，首先要減小共模電壓。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(jì)：地線設(shè)計(jì)是最重要的。"地線"可以定義為信號(hào)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(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，完全接地，各接地點(diǎn)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(dú)立，這樣模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時(shí)，檢測(cè)方便，可迅速查出問題。 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。
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在核磁共振MR系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)試兩路線圈的耦合情況，即測(cè)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(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)小于它的天線線圈數(shù)，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(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。
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在核磁共振(MR)系統(tǒng)中，需要應(yīng)用微波射頻開關(guān)進(jìn)行接收線圈通道的切換選擇。應(yīng)用pin diodes設(shè)計(jì)電路，可靠性得到很大提高，解決了一般開關(guān)器件可靠性差、容易損壞的問題。由于設(shè)計(jì)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(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。
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