新型射頻開關轉換電路的設計與應用

通常RF系統中有許多輸入輸出的埠，用多埠網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，然後用比較簡單的二埠網絡分析儀進行分析測量。在核磁共振系統中，一般接收系統的通道個數小於天線線圈的個數，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成的開關晶片實現切換功能。但是大多數的開關晶片可靠性不好，容易損壞，而且供電線路也比較複雜。例如SW-437晶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

開關將應用於此共振的測試系統，它基於LabView軟體平臺，由計算機提供給電壓控制信號。該控制信號是數位訊號，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：

基於LabView平臺由計算機提供給射頻開關的電壓控制信號是數位訊號，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二極體的通斷，輸入射頻信號通過導通的二極體輸出；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

在本電路中二極體用的是INFINEON technologies公司的BA592，導通的最佳性能電流是5mA。所以滿足二極體的要求在設計中加入的控制電壓是10V，迴路電阻R7、R8、R11、R12的大小均為10K。

2）根據散射特性的要求設計交流信號電路

由於電路工作的中心頻率為63.6MHz，屬於高頻段，因此要保證輸入輸出埠的匹配。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。由於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。根據頻率的要求應用10nF的耦合電容，對於交流信號短路，而對於直流信號是斷路；應用18μH的耦合電感，對於交流信號斷路，而對於直流信號短路。

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，使得二極體D6、D9導通。此時輸入信號input1通過二極體D9輸出，輸入信號input2通過二極體D6輸出。當控制信號反向，即CTRL4加10V電壓，而CTRL3加0V電壓時，二極體D5、D10導通，輸入信號input1通過二極體D5輸出，輸入信號input2通過二極體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控制二極體的通斷，實現二極體D13、D16同時導通或者二極體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電阻實現匹配，從而實現兩路輸入一路輸出，而且可以實現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係，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通過二極體從上面的通路輸入2x1輸出模塊，由於控制邏輯為高，只有input1可以從output1輸出；而輸入信號input2和input4通過二極體從下面的通路輸入下方的2x1輸出模塊，同樣由於控制邏輯為高，只有input2可以從output1輸出，這樣就實現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，對應地建立起資料庫，通過LabView編寫相應的程序應用到測試中。

4）印製電路板的設計

1．電磁兼容性設計：為了控制印製電路板的差模輻射，應將信號和回線緊靠在一起，減小信號路徑形成的環路面積，因為信號環路的作用就相當於輻射或接收磁場的環天線。在本設計中每個模塊的射頻信號接地路徑最短，減少了差模輻射；共模輻射是由於接地面存在地電位造成的，這個地電位就是共模電壓。當連接外部電纜時，電纜被共模電壓激勵形成共模輻射。控制共模輻射，首先要減小共模電壓。本設計中採用地線網絡和接地平面，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；本電路屬於高頻高速電路，滿足2W準則（W是印製板導線的寬度，即導線間距不小於兩倍導線寬度），以減小串擾。此外，射頻導線短、寬、均勻、直，轉彎處採用45°角，導線寬度沒有突變，沒有突然拐角。

2．地線設計：地線設計是最重要的設計，往往也是難度最大的一部分。「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，有時也可以採用產品的金屬外殼。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版製作中，模塊之間設置跳線，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，當電路出現問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。

3．在PCB版製作中，模塊之間設置跳線，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，當電路出現問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。

設計的性能和優點

1）由於設計的合理性和對稱性，保證了在一定的帶寬（120MHz）內很低的傳輸損耗，如圖5（S21）所示。其中S21表示的是：對於一個微波網絡，當其他埠都匹配，即接50R電阻匹配時，所測兩埠的傳輸，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，而且在整個帶寬內性能很穩定。

2）電感的隔交流作用和電容的隔直流作用，保證了輸入輸出埠良好的匹配，得到很好的反射係數，如圖5（S11，S22））所示，在中心頻率63.6MHz處，反射係數可以達到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場大小決定的，對於1.5T系統共振頻率為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，對於使用頻率高的電子元器件一個最重要的性能和指標就是對於應用環境要求不能太苛刻，可靠性要好，不易損壞。在本設計中由於使用了pin-diodes，電路的可靠性得以明顯提高，克服了以往的開關晶片容易損壞，可靠性差的缺點。

模塊化設計及其應用實例

1．成品所做成的元器件，其功能電路及其引腳功能如圖7所示。

2．應用實例：由於在核磁共振系統中接收通道的數目遠小於它的天線線圈數目，所以需要應用開關來切換選擇。其中一個應用實例就是採用7個RFSW（4x2）應用如圖8的邏輯組合，可以實現16路信號任意2路信號的輸出，然後接到系統上接收信號成像。

結論

由於設計的合理性，此微波射頻開關參數（反射係數、傳輸係數、隔離度）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。在核磁共振系統中，16輸入2輸出得到廣泛應用

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