一種新型微波射頻開(kāi)關(guān)(4×2)的設計與應用
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時(shí)間：2008-09-02
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
通常RF系統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?xún)r(jià)格昂貴，一般采用開(kāi)關(guān)對多輸入多輸出的信號進(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)行分析測量。
在核磁共振MR系統中，一般接收系統的通道數小于天線(xiàn)線(xiàn)圈數，所以多路線(xiàn)圈也要應用開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換選擇。
目前大多采用現成的開(kāi)關(guān)器件實(shí)現切換功能。但是大多數的開(kāi)關(guān)器件可靠性低、易損壞、供電線(xiàn)路復雜。例如SW-437器件雖然可以完成簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)功能，但是它對防靜電要求非常高，一般的實(shí)驗室和生產(chǎn)車(chē)間很難達到器件的要求，所以在實(shí)際應用中不方便，容易損壞。本文設計了一種新型的應用pin diodes的射頻開(kāi)關(guān)轉換電路，實(shí)現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(guò)導通的二極管輸出；改變控制邏輯，從而控制輸入射頻信號的輸出。設計步驟如下：
1)根據設計要求設計直流控制電路
本電路二極管采用Infineon公司的BA592，導通的最佳性能電流是5 mA。所以滿(mǎn)足二極管的要求在設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)根據散射特性的要求設計交流信號電路
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(shí)候，另外一路信號應該接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(kāi)，使其互不影響非常重要。根據頻率的要求選用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(shí)，二極管D6、D9導通。這時(shí)候輸入信號input1通過(guò)二極管D9輸出，輸入信號input2通過(guò)二極管D6輸出。當控制信號反向，即在CTRL4加10 V電壓，而CTRL3加0 V電壓時(shí)，二極管D5、D10導通，輸入信號input1通過(guò)二極管D5輸出，輸人信號input2通過(guò)二極管D10輸出。從而達到兩路輸人信號同時(shí)輸出，而且可以通過(guò)控制信號的邏輯轉換改變輸入信號輸出方向的目的。
4)印制電路板的設計
電磁兼容性設計：為了控制印制電路板的差模輻射，應將信號和回線(xiàn)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)路的作用就相當于輻射或接收磁場(chǎng)的環(huán)天線(xiàn)。在本設計中每個(gè)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(gè)地電位就是共模電壓。當連接外部電纜時(shí)，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。本設計中采用地線(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準則，W是印制板導線(xiàn)的寬度，即導線(xiàn)間距不小于2倍導線(xiàn)寬度，以減小串擾。此外，射頻導線(xiàn)短、寬、均勻、直，轉彎處采用45°，導線(xiàn)寬度沒(méi)有突變，無(wú)突然拐角。
地線(xiàn)設計：地線(xiàn)設計是最重要的。地線(xiàn)可以定義為信號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。理想的地應是零電阻的實(shí)體，各接地點(diǎn)之間沒(méi)有電位差。本設計中，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，模塊之間設置跳線(xiàn)，使得模塊互相獨立，這樣模塊可以單獨測試性能，當電路出現問(wèn)題時(shí)，檢測方便，可迅速查出問(wèn)題。
3 設計的性能和優(yōu)點(diǎn)
由于設計的合理性和對稱(chēng)性，保證了在帶寬(120 MHz)內傳輸損耗低。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)帶寬內性能很穩定。
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，在中心頻率63.6 MHz處，反射系數達到-30 dB左右。頻率是由核磁共振的B0場(chǎng)決定的，對于1.5T系統共振頻率為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(shí)際應用中，對于使用頻率高的電子元件最重要的性能和指標就是應用環(huán)境要求不能太苛刻，可靠性高，且不易損壞。本設計中使刖的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 模塊化設計及其應用實(shí)例
4.1模塊化設計
根據實(shí)際應用把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系統中經(jīng)常需要測試兩路線(xiàn)圈的耦合情況，即測試兩路線(xiàn)圈的傳輸參數S21，但是一般的線(xiàn)圈都有很多路，比如膝蓋線(xiàn)圈有8路，連接需要測試的2路。應用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通即可測量。
由于在核磁共振MR系統中接收通道的個(gè)數遠小于它的天線(xiàn)線(xiàn)圈數，所以需要應用開(kāi)關(guān)來(lái)切換選擇。其中一個(gè)應用實(shí)例就是采用7個(gè)RFSW(4×2)實(shí)現16路信號任意2路信號的輸出邏輯組合應用，然后接到系統上接收信號成像。RFSW(16×2)的邏輯組合框圖如圖5所示。
5 結束語(yǔ)
在核磁共振(MR)系統中，需要應用微波射頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行接收線(xiàn)圈通道的切換選擇。應用pin diodes設計電路，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。由于設計的合理性，此微波射頻開(kāi)關(guān)的反射系數、傳輸系數、隔離度都非常理想。本設計高度模塊化，使得電路故障的檢測變得容易。另外，本設計的應用非常靈活，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，在核磁共振系統中，16輸入2輸出得到廣泛應用。
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