微波射频开关

概述

　　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。

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。

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。

合理性

　　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，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。