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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)二極管D9輸出，輸入信號(hào)input2通過(guò)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(guò)二極管D5輸出，輸入信號(hào)input2通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程。例如當(dāng)控制邏輯為1111時(shí)，輸入信號(hào)input1和input3通過(guò)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(guò)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(guò)LabView編寫相應(yīng)的程序應(yīng)用到測(cè)試中。