新型射頻開關轉換電路的設計與應用 - 全文

通常RF系統中有許多輸入輸出的端口，用多端口網絡分析儀分析散射特性價格比較昂貴。所以一般要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。在核磁共振系統中，一般接收系統的通道個數小于天線線圈的個數，所以多路線圈也要應用開關進行切換選擇。

目前一般的設計中用現成的開關芯片實現切換功能。但是大多數的開關芯片可靠性不好，容易損壞，而且供電線路也比較復雜。例如SW-437芯片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的條件很難達到廠家的要求，所以實際應用起來很不方便，容易損壞。在本設計中，設計了一種新型的應用pin diodes的射頻開關轉換電路，實現的功能是4路RF輸入信號選擇其中任意2路RF信號輸出。

總體結構設計

開關將應用于此共振的測試系統，它基于LabView軟件平臺，由計算機提供給電壓控制信號。該控制信號是數字信號，只能提供高低電平，高電壓為5V，低電壓為0V，因此需要進行電壓轉換才能提供給開關電路。整個電路由兩部分組成：電壓轉換電路和射頻開關電路。最終，使得當LabView提供5V電壓時，輸入到開關的電壓為10V和0V；當LabView提供0V電壓時，輸入到開關的電壓為0V和10V。

電壓轉換電路設計：

基于LabView平臺由計算機提供給射頻開關的電壓控制信號是數字信號，極高電平為5V，低電平為0V，而射頻開關需要的電壓控制信號是10V，因此需要把5V轉換為10V，圖1為轉換電路圖。當輸入信號input1為5V時，Q3導通，Q5截止，Q1導通，所以output1為0V。這時Q4截止，Q6導通，Q2截止，output2輸出VCC為10V。最終，使得當LabView提供5V電壓時，輸入到開關的電壓為10V和0V；而當輸入信號input1為0V時，Q3截止，Q5導通，Q1截止，所以output1為10V。此時Q4導通，Q6截止，Q2導通，output2輸出為0V，輸入到開關的電壓為0V和10V。滿足微波射頻開關的工作電壓。

開關電路設計：

設計思想：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，從而改變控制輸入射頻信號的輸出。

設計步驟如下：

1）設計直流控制電路

在本電路中二極管用的是INFINEON technologies公司的BA592，導通的最佳性能電流是5mA。所以滿足二極管的要求在設計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）根據散射特性的要求設計交流信號電路

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，一路射頻信號輸出的時候，另外一路信號應該接50R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。根據頻率的要求應用10nF的耦合電容，對于交流信號短路，而對于直流信號是斷路；應用18μH的耦合電感，對于交流信號斷路，而對于直流信號短路。

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，使得二極管D6、D9導通。此時輸入信號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CTRL4加10V電壓，而CTRL3加0V電壓時，二極管D5、D10導通，輸入信號input1通過二極管D5輸出，輸入信號input2通過二極管D10輸出。從而達到兩路輸入信號同時輸出，而且可以通過控制信號的邏輯改變輸入信號輸出方向的目的。

圖3是兩輸入一輸出模塊（2x1）：控制信號7，8控制二極管的通斷，實現二極管D13、D16同時導通或者二極管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4是整個電路的模塊連接框圖，清晰地表示了模塊之間的邏輯關系，以及信號的傳輸過程。例如當控制邏輯為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，這樣就實現了四路輸入信號只有input1和input2分別從output1和output2輸出。當改變控制邏輯時，就可以選擇想要的輸入信號的輸出。例如控制邏輯如果為1110，則輸出信號為input1和input4。4路控制信號可以控制12種狀態，對應地建立起數據庫，通過LabView編寫相應的程序應用到測試中。

4）印制電路板的設計

1．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面存在地電位造成的，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，滿足2W準則（W是印制板導線的寬度，即導線間距不小于兩倍導線寬度），以減小串擾。此外，射頻導線短、寬、均勻、直，轉彎處采用45°角，導線寬度沒有突變，沒有突然拐角。

2．地線設計：地線設計是最重要的設計，往往也是難度最大的一部分。“地線”可以定義為信號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，完全鋪地，各接地點之間沒有電位差。在PCB版制作中，模塊之間設置跳線，使得模塊之間互相獨立，這樣做的目的是：模塊可以單獨測試性能，當電路出現問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。

3．在PCB版制作中，模塊之間設置跳線，使得模塊之間互相獨立，這樣做的目的是：模塊可以單獨測試性能，當電路出現問題時，方便檢測，迅速查出問題所在。

設計的性能和優點

1）由于設計的合理性和對稱性，保證了在一定的帶寬（120MHz）內很低的傳輸損耗，如圖5（S21）所示。其中S21表示的是：對于一個微波網絡，當其他端口都匹配，即接50R電阻匹配時，所測兩端口的傳輸，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，而且在整個帶寬內性能很穩定。

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，如圖5（S11，S22））所示，在中心頻率63.6MHz處，反射系數可以達到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場大小決定的，對于1.5T系統共振頻率為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到-30 dB以下。