核磁共振系統(tǒng)中微波射頻開關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(jià)格比較昂貴。所以一般要用開關(guān)對(duì)多輸入多輸出的信號(hào)進(jìn)行切換，然后用比較簡(jiǎn)單的二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析測(cè)量。在核磁共振系統(tǒng)中，一般接收系統(tǒng)的通道個(gè)數(shù)小于天線線圈的個(gè)數(shù)，所以多路線圈也要應(yīng)用開關(guān)進(jìn)行切換選擇。

目前一般的設(shè)計(jì)中用現(xiàn)成的開關(guān)芯片實(shí)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(fù)雜。例如SW-437芯片雖然可以完成簡(jiǎn)單的開關(guān)功能，但是它對(duì)防靜電要求非常高，一般的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間的條件很難達(dá)到廠家的要求，所以實(shí)際應(yīng)用起來很不方便，容易損壞。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種新型的應(yīng)用pin diodes的射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)的功能是4路RF輸入信號(hào)選擇其中任意2路RF信號(hào)輸出。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)將應(yīng)用于此共振的測(cè)試系統(tǒng)，它基于LabView軟件平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)提供給電壓控制信號(hào)。該控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，只能提供高低電平，高電壓為5V，低電壓為0V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換才能提供給開關(guān)電路。整個(gè)電路由兩部分組成：電壓轉(zhuǎn)換電路和射頻開關(guān)電路。最終，使得當(dāng)LabView提供5V電壓時(shí)，輸入到開關(guān)的電壓為10V和0V；當(dāng)LabView提供0V電壓時(shí)，輸入到開關(guān)的電壓為0V和10V。

電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：

基于LabView平臺(tái)由計(jì)算機(jī)提供給射頻開關(guān)的電壓控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，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(hào)是10V，因此需要把5V轉(zhuǎn)換為10V，圖1為轉(zhuǎn)換電路圖。當(dāng)輸入信號(hào)input1為5V時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q5截止，Q1導(dǎo)通，所以output1為0V。這時(shí)Q4截止，Q6導(dǎo)通，Q2截止，output2輸出VCC為10V。最終，使得當(dāng)LabView提供5V電壓時(shí)，輸入到開關(guān)的電壓為10V和0V；而當(dāng)輸入信號(hào)input1為0V時(shí)，Q3截止，Q5導(dǎo)通，Q1截止，所以output1為10V。此時(shí)Q4導(dǎo)通，Q6截止，Q2導(dǎo)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。

開關(guān)電路設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)思想：利用直流信號(hào)控制pin diodes二極管的通斷，輸入射頻信號(hào)通過導(dǎo)通的二極管輸出；改變控制邏輯，從而改變控制輸入射頻信號(hào)的輸出。

設(shè)計(jì)步驟如下：

1）設(shè)計(jì)直流控制電路
在本電路中二極管用的是INFINEON technologies公司的BA592，導(dǎo)通的最佳性能電流是5mA。所以滿足二極管的要求在設(shè)計(jì)中加入的控制電壓是10V，回路電阻R7、R8、R11、R12的大小均為10K。

2）根據(jù)散射特性的要求設(shè)計(jì)交流信號(hào)電路
由于電路工作的中心頻率為63.6MHz，屬于高頻段，因此要保證輸入輸出端口的匹配。具體來說，一路射頻信號(hào)輸出的時(shí)候，另外一路信號(hào)應(yīng)該接50R電阻匹配。由于本電路既有直流信號(hào)又有交流信號(hào)，因此把二者分開，使其互不影響非常重要。根據(jù)頻率的要求應(yīng)用10nF的耦合電容，對(duì)于交流信號(hào)短路，而對(duì)于直流信號(hào)是斷路；應(yīng)用18μH的耦合電感，對(duì)于交流信號(hào)斷路，而對(duì)于直流信號(hào)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(shí)，使得二極管D6、D9導(dǎo)通。此時(shí)輸入信號(hào)input1通過二極管D9輸出，輸入信號(hào)input2通過二極管D6輸出。當(dāng)控制信號(hào)反向，即CTRL4加10V電壓，而CTRL3加0V電壓時(shí)，二極管D5、D10導(dǎo)通，輸入信號(hào)input1通過二極管D5輸出，輸入信號(hào)input2通過二極管D10輸出。從而達(dá)到兩路輸入信號(hào)同時(shí)輸出，而且可以通過控制信號(hào)的邏輯改變輸入信號(hào)輸出方向的目的。

圖3是兩輸入一輸出模塊(2x1)：控制信號(hào)7，8控制二極管的通斷，實(shí)現(xiàn)二極管D13、D16同時(shí)導(dǎo)通或者二極管D14、D15同時(shí)導(dǎo)通，與模塊1相同。但是兩路輸入信號(hào)只有一路輸出，另外一路輸出接50R電阻實(shí)現(xiàn)匹配，從而實(shí)現(xiàn)兩路輸入一路輸出，而且可以實(shí)現(xiàn)通過控制信號(hào)選擇哪一路輸出的功能。

圖4是整個(gè)電路的模塊連接框圖，清晰地表示了模塊之間的邏輯關(guān)系，以及信號(hào)的傳輸過程。例如當(dāng)控制邏輯為1111時(shí)，輸入信號(hào)input1和input3通過二極管從上面的通路輸入2x1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(hào)input2和input4通過二極管從下面的通路輸入下方的2x1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(shí)現(xiàn)了四路輸入信號(hào)只有input1和input2分別從output1和output2輸出。當(dāng)改變控制邏輯時(shí)，就可以選擇想要的輸入信號(hào)的輸出。例如控制邏輯如果為1110，則輸出信號(hào)為input1和input4。4路控制信號(hào)可以控制12種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)地建立起數(shù)據(jù)庫(kù)，通過LabView編寫相應(yīng)的程序應(yīng)用到測(cè)試中。

4）印制電路板的設(shè)計(jì)

1．電磁兼容性設(shè)計(jì)：為了控制印制電路板的差模輻射，應(yīng)將信號(hào)和回線緊靠在一起，減小信號(hào)路徑形成的環(huán)路面積，因?yàn)樾盘?hào)環(huán)路的作用就相當(dāng)于輻射或接收磁場(chǎng)的環(huán)天線。在本設(shè)計(jì)中每個(gè)模塊的射頻信號(hào)接地路徑最短，減少了差模輻射；共模輻射是由于接地面存在地電位造成的，這個(gè)地電位就是共模電壓。當(dāng)連接外部電纜時(shí)，電纜被共模電壓激勵(lì)形成共模輻射?？刂乒材］椛?，首先要減小共模電壓。本設(shè)計(jì)中采用地線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)；本電路屬于高頻高速電路，滿足2W準(zhǔn)則（W是印制板導(dǎo)線的寬度，即導(dǎo)線間距不小于兩倍導(dǎo)線寬度），以減小串?dāng)_。此外，射頻導(dǎo)線短、寬、均勻、直，轉(zhuǎn)彎處采用45°角，導(dǎo)線寬度沒有突變，沒有突然拐角。

2．地線設(shè)計(jì)：地線設(shè)計(jì)是最重要的設(shè)計(jì)，往往也是難度最大的一部分。"地線"可以定義為信號(hào)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(shí)也可以采用產(chǎn)品的金屬外殼。理想的"地"應(yīng)是零電阻的實(shí)體，各接地點(diǎn)之間沒有電位差。本設(shè)計(jì)中，下層板布成接地板，完全鋪地，各接地點(diǎn)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(dú)立，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時(shí)，方便檢測(cè)，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(dú)立，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時(shí)，方便檢測(cè)，迅速查出問題所在。

設(shè)計(jì)的性能和優(yōu)點(diǎn)
1）由于設(shè)計(jì)的合理性和對(duì)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(duì)于一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其他端口都匹配，即接50R電阻匹配時(shí)，所測(cè)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(gè)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(dá)到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場(chǎng)大小決定的，對(duì)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(dá)到-30 dB以下。

4）在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于使用頻率高的電子元器件一個(gè)最重要的性能和指標(biāo)就是對(duì)于應(yīng)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(jì)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(diǎn)。

模塊化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用實(shí)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(yīng)用實(shí)例：由于在核磁共振系統(tǒng)中接收通道的數(shù)目遠(yuǎn)小于它的天線線圈數(shù)目，所以需要應(yīng)用開關(guān)來切換選擇。其中一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是采用7個(gè)RFSW（4x2）應(yīng)用如圖8的邏輯組合，可以實(shí)現(xiàn)16路信號(hào)任意2路信號(hào)的輸出，然后接到系統(tǒng)上接收信號(hào)成像。

結(jié)論

由于設(shè)計(jì)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(jì)高度模塊化，使得電路故障的檢測(cè)變得容易。另外，本設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)用。