核磁共振系统中射频开关设计

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引言

通常RF系统中有许多输入输出的端口，用多端口网络分析仪分析散射特性价格比较昂贵。所以一般要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。在核磁共振系统中，一般接收系统的通道个数小于天线线圈的个数，所以多路线圈也要应用开关进行切换选择。

目前一般的设计中用现成的开关芯片实现切换功能。但是大多数的开关芯片可靠性不好，容易损坏，而且供电线路也比较复杂。例如SW-437芯片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的条件很难达到厂家的要求，所以实际应用起来很不方便，容易损坏。在本设计中，设计了一种新型的应用pin diodes的射频开关转换电路，实现的功能是4路RF输入信号选择其中任意2路RF信号输出。

总体结构设计

开关将应用于此共振的测试系统，它基于LabView软件平台，由计算机提供给电压控制信号。该控制信号是数字信号，只能提供高低电平，高电压为 5V，低电压为0V，因此需要进行电压转换才能提供给开关电路。整个电路由两部分组成：电压转换电路和射频开关电路。最终，使得当LabView提供5V 电压时，输入到开关的电压为10V和0V；当LabView提供0V电压时，输入到开关的电压为0V和10V。

电压转换电路设计：

基于LabView平台由计算机提供给射频开关的电压控制信号是数字信号，极高电平为5V，低电平为0V，而射频开关需要的电压控制信号是10V，因此需要把5V转换为10V，图1为转换电路图。当输入信号input1为5V时，Q3导通，Q5截止，Q1导通，所以output1为0V。这时Q4截止，Q6导通，Q2截止，output2输出VCC为10V。最终，使得当LabView提供5V电压时，输入到开关的电压为10V和0V；而当输入信号 input1为0V时，Q3截止，Q5导通，Q1截止，所以output1为10V。此时Q4导通，Q6截止，Q2导通，output2输出为0V，输入到开关的电压为0V和10V。满足微波射频开关的工作电压。

开关电路设计：

设计思想：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，从而改变控制输入射频信号的输出。

设计步骤如下：

1）设计直流控制电路
在本电路中二极管用的是INFINEON technologies公司的BA592，导通的最佳性能电流是5mA。所以满足二极管的要求在设计中加入的控制电压是10V，回路电阻R7、R8、R11、R12的大小均为10K。

2）根据散射特性的要求设计交流信号电路
由于电路工作的中心频率为63.6MHz，属于高频段，因此要保证输入输出端口的匹配。具体来说，一路射频信号输出的时候，另外一路信号应该接50R 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。根据频率的要求应用10nF的耦合电容，对于交流信号短路，而对于直流信号是断路；应用18μH的耦合电感，对于交流信号断路，而对于直流信号短路。

3）基本模块及模块之间的连接
图2和图3是基本模块。图2是两输入两输出模块(2x2)：在CTRL3、CTRL4之间加入10V的直流电压，即在CTRL3加10V电压，CTRL4加0V电压时，使得二极管D6、D9导通。此时输入信号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CTRL4加10V电压，而CTRL3加0V电压时，二极管D5、D10导通，输入信号input1通过二极管D5输出，输入信号 input2通过二极管D10输出。从而达到两路输入信号同时输出，而且可以通过控制信号的逻辑改变输入信号输出方向的目的。

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图3是两输入一输出模块(2x1)：控制信号7，8控制二极管的通断，实现二极管D13、D16同时导通或者二极管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4是整个电路的模块连接框图，清晰地表示了模块之间的逻辑关系，以及信号的传输过程。例如当控制逻辑为1111时，输入信号input1和 input3通过二极管从上面的通路输入2x1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方的2x1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。当改变控制逻辑时，就可以选择想要的输入信号的输出。例如控制逻辑如果为 1110，则输出信号为input1和input4。4路控制信号可以控制12种状态，对应地建立起数据库，通过LabView编写相应的程序应用到测试中。

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4）印制电路板的设计

1.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面存在地电位造成的，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，满足2W准则（W是印制板导线的宽度，即导线间距不小于两倍导线宽度），以减小串扰。此外，射频导线短、宽、均匀、直，转弯处采用45°角，导线宽度没有突变，没有突然拐角。

2.地线设计：地线设计是最重要的设计，往往也是难度最大的一部分。"地线"可以定义为信号流回源的低阻抗路径，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，完全铺地，各接地点之间没有电位差。在PCB版制作中，模块之间设置跳线，使得模块之间互相独立，这样做的目的是：模块可以单独测试性能，当电路出现问题时，方便检测，迅速查出问题所在。

3.在PCB版制作中，模块之间设置跳线，使得模块之间互相独立，这样做的目的是：模块可以单独测试性能，当电路出现问题时，方便检测，迅速查出问题所在。

设计的性能和优点
1）由于设计的合理性和对称性，保证了在一定的带宽（120MHz）内很低的传输损耗，如图5（S21）所示。其中S21表示的是：对于一个微波网络，当其他端口都匹配，即接50R电阻匹配时，所测两端口的传输，其物理公式：S21=Uout / Uin。曲线在中心频率63.6MHz、带宽120MHz的条件下，保持了很低的传输损耗，大约为-0.29dB，而且在整个带宽内性能很稳定。
2）电感的隔交流作用和电容的隔直流作用，保证了输入输出端口良好的匹配，得到很好的反射系数，如图5（S11，S22)）所示，在中心频率 63.6MHz处，反射系数可以达到-30dB左右。中心频率的大小是由核磁共振的B0场大小决定的，对于1.5T系统共振频率为63.6MHz。
3）保证了很好的隔离度，如图6所示，中心频率处隔离度达到-30 dB以下。