1 引言
通常RF系統(tǒng)中有許多輸入輸出端口，用多端口" title="多端口">多端口網絡分析儀分析散射特性價格昂貴，一般采用開關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絡分析儀進行分析測量。
在核磁共振MR系統(tǒng)中，一般接收系統(tǒng)的通道數小于天線線圈數，所以多路線圈也要應用開關進行切換選擇。
目前大多采用現成的開關器件實現切換功能。但是大多數的開關器件可靠性低、易損壞、供電線路復雜。例如SW-437器件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很難達到器件的要求，所以在實際應用中不方便，容易損壞。本文設計了一種新型的應用pin diodes的射頻" title="射頻">射頻開關轉換電路，實現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，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，二極管D6、D9導通。這時候輸入信號input1通過二極管D9輸出，輸入信號input2通過二極管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，二極管D5、D10導通，輸入信號input1通過二極管D5輸出，輸人信號input2通過二極管D10輸出。從而達到兩路輸人信號同時輸出，而且可以通過控制信號的邏輯轉換改變輸入信號輸出方向的目的。
圖2是2輸入1輸出模塊(2×1)：控制信號7、8控制二極管的通斷，實現二極管D13、D16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3是整個電路的模塊連接框圖，表示了模塊之間的邏輯關系，信號的傳輸過程如下：當控制邏輯為1111時，輸入信號input1和input3通過二極管從上面的通路輸入2×1輸出模塊，由于控制邏輯為高，只有input1可以從output1輸出；而輸入信號input2和input4通過二極管從下面的通路輸入下面的2×1輸出模塊。同樣由于控制邏輯為高，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。同樣，當改變控制邏輯時，就可以選擇想要的輸入信號的輸出。當控制邏輯為1110，則輸出信號為input1和input4。4路控制信號可以控制12種狀態(tài)，對應建立數據庫，可以通過Labview編寫相關程序應用到測試中。
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的環(huán)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；共模輻射是由于接地而存在地電位造成的，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?？刂乒材］椛洌紫纫獪p小共模電壓。本設計中采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；本電路屬于高頻高速電路且滿足2W準則，W是印制板導線的寬度，即導線間距不小于2倍導線寬度，以減小串擾。此外，射頻導線短、寬、均勻、直，轉彎處采用45°，導線寬度沒有突變，無突然拐角。
地線設計：地線設計是最重要的。"地線"可以定義為信號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，有時也可以采用產品的金屬外殼。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，完全接地，各接地點之間沒有電位差。
在PCB板制作中，模塊之間設置跳線，使得模塊互相獨立，這樣模塊可以單獨測試性能，當電路出現問題時，檢測方便，可迅速查出問題。
3 設計的性能和優(yōu)點
由于設計的合理性和對稱性，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，而且在整個帶寬內性能很穩(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，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場決定的，對于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到-30 dB以下。
在實際應用中，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，克服了以往開關器件易損壞、可靠性差的缺點。
4 模塊化設計及其應用實例
4.1模塊化設計
根據實際應用把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。
4.2應用實例
在核磁共振MR系統(tǒng)中經常需要測試兩路線圈的耦合情況，即測試兩路線圈的傳輸參數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(tǒng)中接收通道的個數遠小于它的天線線圈數，所以需要應用開關來切換選擇。其中一個應用實例就是采用7個RFSW(4×2)實現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(tǒng)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
在核磁共振(MR)系統(tǒng)中，需要應用微波" title="微波">微波射頻開關進行接收線圈通道的切換選擇。應用pin diodes設計電路，可靠性得到很大提高，解決了一般開關器件可靠性差、容易損壞的問題。由于設計的合理性，此微波射頻開關的反射系數、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(tǒng)中，16輸入2輸出得到廣泛應用。