核磁共振系统中微波射频开关的设计与应用

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。

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。

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。

4）在实际应用中，对于使用频率高的电子元器件一个最重要的性能和指标就是对于应用环境要求不能太苛刻，可靠性要好，不易损坏。在本设计中由于使用了pin-diodes，电路的可靠性得以明显提高，克服了以往的开关芯片容易损坏，可靠性差的缺点。

模块化设计及其应用实例

1．成品所做成的元器件，其功能电路及其引脚功能如图7所示。
2．应用实例：由于在核磁共振系统中接收通道的数目远小于它的天线线圈数目，所以需要应用开关来切换选择。其中一个应用实例就是采用7个RFSW（4x2）应用如图8的逻辑组合，可以实现16路信号任意2路信号的输出，然后接到系统上接收信号成像。

结论

由于设计的合理性，此微波射频开关参数（反射系数、传输系数、隔离度）非常理想。本设计高度模块化，使得电路故障的检测变得容易。另外，本设计应用灵活，4输入2输出可以利用一定的组合逻辑得到想要的输入输出组合。在核磁共振系统中，16输入2输出得到广泛应用。