一种新型微波射频开关(4×2)的设计与应用

1 引言

通常RF系统中有许多输入输出端口，用多端口网络分析仪分析散射特性价格昂贵，一般采用开关对多输入多输出的信号进行切换，然后用比较简单的二端口网络分析仪进行分析测量。

在核磁共振MR系统中，一般接收系统的通道数小于天线线圈数，所以多路线圈也要应用开关进行切换选择。

目前大多采用现成的开关器件实现切换功能。但是大多数的开关器件可靠性低、易损坏、供电线路复杂。例如SW-437器件虽然可以完成简单的开关功能，但是它对防静电要求非常高，一般的实验室和生产车间很难达到器件的要求，所以在实际应用中不方便，容易损坏。本文设计了一种新型的应用pin diodes的射频开关转换电路，实现4路RF输入信号选择其中任意2路RF信号输出功能。

2 电路设计

利用直流信号控制pin diodes二极管的通断，输入射频信号通过导通的二极管输出；改变控制逻辑，从而控制输入射频信号的输出。设计步骤如下：

1)根据设计要求设计直流控制电路

本电路二极管采用Infineon公司的BA592，导通的最佳性能电流是5 mA。所以满足二极管的要求在设计中加人的控制电压是10 V，回路电阻R7，R8、R11、R12的大小均为10 kΩ。

2)根据散射特性的要求设计交流信号电路

电路工作的中心频率为63.6 MHz，属于高频段，因此要保证输入输出端口的匹配。即一路射频信号输出的时候，另外一路信号应该接50 Ω电阻匹配。由于本电路既有直流信号又有交流信号，因此把二者分开，使其互不影响非常重要。根据频率的要求选用10 nF的耦合电容，交流信号短路，而直流信号断路；而选用18μH的耦合电感，对于交流信号断路，而直流信号短路。

3)电路基本模块及其模块的设计之间的连接

图1和图2是电路的基本模块。图1是2输入2输出模块(2×2)：在CTRL3、CTRL4之间加入10 V的直流电压，即在CTRL3加10 V电压，CTRL4加0 V电压时，二极管D6、D9导通。这时候输入信号input1通过二极管D9输出，输入信号input2通过二极管D6输出。当控制信号反向，即在CTRL4加10 V电压，而CTRL3加0 V电压时，二极管D5、D10导通，输入信号input1通过二极管D5输出，输人信号input2通过二极管D10输出。从而达到两路输人信号同时输出，而且可以通过控制信号的逻辑转换改变输入信号输出方向的目的。

图2是2输入1输出模块(2×1)：控制信号7、8控制二极管的通断，实现二极管D13、D16或者二极管D14、D15同时导通，与模块1相同。但是两路输入信号只有一路输出，另外一路输出接50R电阻实现匹配，从而实现两路输入一路输出，而且可以实现通过控制信号选择哪一路输出的功能。

图3是整个电路的模块连接框图，表示了模块之间的逻辑关系，信号的传输过程如下：当控制逻辑为1111时，输入信号input1和input3通过二极管从上面的通路输入2×1输出模块，由于控制逻辑为高，只有input1可以从output1输出；而输入信号input2和input4通过二极管从下面的通路输入下面的2×1输出模块。同样由于控制逻辑为高，只有input2可以从output1输出，这样就实现了四路输入信号只有input1和input2分别从output1和output2输出。同样，当改变控制逻辑时，就可以选择想要的输入信号的输出。当控制逻辑为1110，则输出信号为input1和input4。4路控制信号可以控制12种状态，对应建立数据库，可以通过Labview编写相关程序应用到测试中。

4)印制电路板的设计

电磁兼容性设计：为了控制印制电路板的差模辐射，应将信号和回线紧靠在一起，减小信号路径形成的环路面积。因为信号环路的作用就相当于辐射或接收磁场的环天线。在本设计中每个模块的射频信号接地路径最短，减少了差模辐射；共模辐射是由于接地而存在地电位造成的，这个地电位就是共模电压。当连接外部电缆时，电缆被共模电压激励形成共模辐射。控制共模辐射，首先要减小共模电压。本设计中采用地线网络和接地平面，布成双层版，全部在上层走线，下层全部铺地，合理选择了接地点；本电路属于高频高速电路且满足2W准则，W是印制板导线的宽度，即导线间距不小于2倍导线宽度，以减小串扰。此外，射频导线短、宽、均匀、直，转弯处采用45°，导线宽度没有突变，无突然拐角。

地线设计：地线设计是最重要的。"地线"可以定义为信号流同源的低阻抗路径，它可以是专用的回线，也可以是接地平面，有时也可以采用产品的金属外壳。理想的"地"应是零电阻的实体，各接地点之间没有电位差。本设计中，下层板布成接地板，完全接地，各接地点之间没有电位差。

在PCB板制作中，模块之间设置跳线，使得模块互相独立，这样模块可以单独测试性能，当电路出现问题时，检测方便，可迅速查出问题。 3 设计的性能和优点

由于设计的合理性和对称性，保证了在带宽(120 MHz)内传输损耗低。在中心频率63.6 MHz，带宽120 MHz的条件下，保持传输损耗低约-0.29 dB，而且在整个带宽内性能很稳定。

由于电感的隔交流作用，电容的隔直流作用，保证了输入输出端口良好匹配，得到很好的反射系数，在中心频率63.6 MHz处，反射系数达到-30 dB左右。频率是由核磁共振的B0场决定的，对于1.5T系统共振频率为63.6 MHz。保证很好的隔离度，中心频率处隔离度达到-30 dB以下。

在实际应用中，对于使用频率高的电子元件最重要的性能和指标就是应用环境要求不能太苛刻，可靠性高，且不易损坏。本设计中使刖的pin diodes，克服了以往开关器件易损坏、可靠性差的缺点。

4 模块化设计及其应用实例

4.1模块化设计

根据实际应用把RFSW(4×2)做成测试盒，由4路射频输入端口、2路射频输出端口和4路数字控制信号组成，其功能电路及引脚功能如图4所示。

4.2应用实例

在核磁共振MR系统中经常需要测试两路线圈的耦合情况，即测试两路线圈的传输参数S21，但是一般的线圈都有很多路，比如膝盖线圈有8路，连接需要测试的2路。应用RFSW(4×2)测试盒连接需要测试的2路信号，改变控制信号的逻辑使其导通即可测量。

由于在核磁共振MR系统中接收通道的个数远小于它的天线线圈数，所以需要应用开关来切换选择。其中一个应用实例就是采用7个RFSW(4×2)实现16路信号任意2路信号的输出逻辑组合应用，然后接到系统上接收信号成像。RFSW(16×2)的逻辑组合框图如图5所示。

5 结束语

在核磁共振(MR)系统中，需要应用微波射频开关进行接收线圈通道的切换选择。应用pin diodes设计电路，可靠性得到很大提高，解决了一般开关器件可靠性差、容易损坏的问题。由于设计的合理性，此微波射频开关的反射系数、传输系数、隔离度都非常理想。本设计高度模块化，使得电路故障的检测变得容易。另外，本设计的应用非常灵活，4输入2输出可以利用一定的组合逻辑得到我们想要的输入输出组合，在核磁共振系统中，16输入2输出得到广泛应用。