無線測試工程師知識點分享：核磁共振系統(tǒng)中微波射頻開關(guān)的設(shè)計與應用，避免踩坑!
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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(luò)分析儀分析散射特性價格比較昂貴。所以一般要用開關(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(guān)進行切換選擇。
目前一般的設(shè)計中用現(xiàn)成的開關(guān)芯片實現(xiàn)切換功能。但是大多數(shù)的開關(guān)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(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(shè)計中，設(shè)計了一種新型的應用pindiodes的射頻開關(guān)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計
開關(guān)將應用于此共振的測試系統(tǒng)，它基于Laiew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(zhuǎn)換才能提供給開關(guān)電路。整個電路由兩部分組成：電壓轉(zhuǎn)換電路和射頻開關(guān)電路。Zui終，使得當Laiew提供5V電壓時，輸入到開關(guān)的電壓為10V和0V；當Laiew提供0V電壓時，輸入到開關(guān)的電壓為0V和10V。
電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計：
基于Laiew平臺由計算機提供給射頻開關(guān)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(guān)需要的電壓控制信號是10V，因此需要把5V轉(zhuǎn)換為10V，圖1為轉(zhuǎn)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。Zui終，使得當Laiew提供5V電壓時，輸入到開關(guān)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(guān)的電壓為0V和10V。滿足微波射頻開關(guān)的工作電壓。
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。
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2．地線設(shè)計：地線設(shè)計是Zui重要的設(shè)計，往往也是難度Zui大的一部分。"地線"可以定義為信號流回源的低阻抗路徑，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，完全鋪地，各接地點之間沒有電位差。在PCB版制作中，模塊之間設(shè)置跳線，使得模塊之間互相獨立，這樣做的目的是：模塊可以單獨測試性能，當電路出現(xiàn)問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。
3．在PCB版制作中，模塊之間設(shè)置跳線，使得模塊之間互相獨立，這樣做的目的是：模塊可以單獨測試性能，當電路出現(xiàn)問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。
設(shè)計的性能和優(yōu)點
1）由于設(shè)計的合理性和對稱性，保證了在一定的帶寬（120MHz）內(nèi)很低的傳輸損耗，如圖5（S21）所示。其中S21表示的是：對于一個微波網(wǎng)絡(luò)，當其他端口都匹配，即接50R電阻匹配時，所測兩端口的傳輸，其物理公式：S21=Uout/Uin。曲線在中心頻率63.6MHz、帶寬120MHz的條件下，保持了很低的傳輸損耗，大約為-0.29dB，而且在整個帶寬內(nèi)性能很穩(wěn)定。
2）電感的隔交流作用和電容的隔直流作用，保證了輸入輸出端口良好的匹配，得到很好的反射系數(shù)，如圖5（S11，S22)）所示，在中心頻率63.6MHz處，反射系數(shù)可以達到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場大小決定的，對于1.5T系統(tǒng)共振頻率為63.6MHz。
3）保證了很好的隔離度，如圖6所示，中心頻率處隔離度達到-30 dB以下。
4）在實際應用中，對于使用頻率高的電子元器件一個Zui重要的性能和指標就是對于應用環(huán)境要求不能太苛刻，可靠性要好，不易損壞。在本設(shè)計中由于使用了pin-diodes，電路的可靠性得以明顯提高，克服了以往的開關(guān)芯片容易損壞，可靠性差的缺點。
結(jié)論
由于設(shè)計的合理性，此微波射頻開關(guān)參數(shù)（反射系數(shù)、傳輸系數(shù)、隔離度）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)計應用靈活，4輸入2輸出可以利用一定的組合邏輯得到想要的輸入輸出組合。在核磁共振系統(tǒng)中，16輸入2輸出得到廣泛應用。
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