1 引言

通常RF系統中有許多輸入輸出端口，用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系統中，一般接收系統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，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路面積。因為信號環路的作用就相當于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。控制共模輻射，首先要減小共模電壓。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)系統中，需要應用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，在核磁共振系統中，16輸入2輸出得到廣泛應用。