無(wú)線測(cè)試工程師知識(shí)點(diǎn)分享：核磁共振系統(tǒng)中微波射頻開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，避免踩坑!
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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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)切換功能。但是大多數(shù)的開(kāi)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(kāi)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(chē)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pindiodes的射頻開(kāi)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(kāi)關(guān)將應(yīng)用于此共振的測(cè)試系統(tǒng)，它基于Laiew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(kāi)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(kāi)關(guān)電路。Zui終，使得當(dāng)Laiew提供5V電壓時(shí)，輸入到開(kāi)關(guān)的電壓為10V和0V；當(dāng)Laiew提供0V電壓時(shí)，輸入到開(kāi)關(guān)的電壓為0V和10V。
電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：
基于Laiew平臺(tái)由計(jì)算機(jī)提供給射頻開(kāi)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(kāi)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。Zui終，使得當(dāng)Laiew提供5V電壓時(shí)，輸入到開(kāi)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(kāi)關(guān)的電壓為0V和10V。滿足微波射頻開(kāi)關(guān)的工作電壓。
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。
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2．地線設(shè)計(jì)：地線設(shè)計(jì)是Zui重要的設(shè)計(jì)，往往也是難度Zui大的一部分。"地線"可以定義為信號(hào)流回源的低阻抗路徑，它可以是專(zhuān)用的回線，也可以是接地平面，有時(shí)也可以采用產(chǎn)品的金屬外殼。理想的"地"應(yīng)是零電阻的實(shí)體，各接地點(diǎn)之間沒(méi)有電位差。本設(shè)計(jì)中，下層板布成接地板，完全鋪地，各接地點(diǎn)之間沒(méi)有電位差。在PCB版制作中，模塊之間設(shè)置跳線，使得模塊之間互相獨(dú)立，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，方便檢測(cè)，迅速查出問(wèn)題所在。
3．在PCB版制作中，模塊之間設(shè)置跳線，使得模塊之間互相獨(dú)立，這樣做的目的是：模塊可以單獨(dú)測(cè)試性能，當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，方便檢測(cè)，迅速查出問(wèn)題所在。
設(shè)計(jì)的性能和優(yōu)點(diǎn)
1）由于設(shè)計(jì)的合理性和對(duì)稱(chēng)性，保證了在一定的帶寬（120MHz）內(nèi)很低的傳輸損耗，如圖5（S21）所示。其中S21表示的是：對(duì)于一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其他端口都匹配，即接50R電阻匹配時(shí)，所測(cè)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(gè)帶寬內(nèi)性能很穩(wěn)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(shù)，如圖5（S11，S22)）所示，在中心頻率63.6MHz處，反射系數(shù)可以達(dá)到-30dB左右。中心頻率的大小是由核磁共振的B0場(chǎng)大小決定的，對(duì)于1.5T系統(tǒng)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(dá)到-30 dB以下。
4）在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于使用頻率高的電子元器件一個(gè)Zui重要的性能和指標(biāo)就是對(duì)于應(yīng)用環(huán)境要求不能太苛刻，可靠性要好，不易損壞。在本設(shè)計(jì)中由于使用了pin-diodes，電路的可靠性得以明顯提高，克服了以往的開(kāi)關(guān)芯片容易損壞，可靠性差的缺點(diǎn)。
結(jié)論
由于設(shè)計(jì)的合理性，此微波射頻開(kāi)關(guān)參數(shù)（反射系數(shù)、傳輸系數(shù)、隔離度）非常理想。本設(shè)計(jì)高度模塊化，使得電路故障的檢測(cè)變得容易。另外，本設(shè)計(jì)應(yīng)用靈活，4輸入2輸出可以利用一定的組合邏輯得到想要的輸入輸出組合。在核磁共振系統(tǒng)中，16輸入2輸出得到廣泛應(yīng)用。
第三方檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)，電子電器安規(guī)EMC檢測(cè)，材料有害物質(zhì)RoHS檢測(cè)，產(chǎn)品包裝運(yùn)輸可靠性測(cè)試
技術(shù)服務(wù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)咨詢、技術(shù)交流、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)推廣。（除依法須經(jīng)批準(zhǔn)的項(xiàng)目外，憑營(yíng)業(yè)執(zhí)照依法自主開(kāi)展經(jīng)營(yíng)活動(dòng)）電子電器產(chǎn)品、化工產(chǎn)品、新能源產(chǎn)品、汽車(chē)材料及部品，預(yù)包裝食品、金屬材料及制品、玩具、兒童用品、紡織品，服裝、鞋材、裝飾品的檢測(cè)、認(rèn)證及技術(shù)服務(wù)。
深圳市訊科標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司是一家依據(jù)ISO/IEC17025運(yùn)行的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)。我檢測(cè)中心在工業(yè)品、消費(fèi)品、貿(mào)易保障及生命科學(xué)四大領(lǐng)域，提供有害物質(zhì)檢測(cè)，安規(guī)檢測(cè)，EMC檢測(cè)，環(huán)境安全檢測(cè)，電子電器產(chǎn)品可靠性與失效分析，材料可靠性與失效分析，金屬材料、非金屬材料分析，紡織品、鞋類(lèi)、皮革檢測(cè)，玩具產(chǎn)品檢測(cè)，建材與輕工產(chǎn)品檢測(cè)，汽車(chē)整車(chē)及其零部件檢測(cè)，食品、藥品、化妝品、飼料及食品包裝和接觸材料檢測(cè)，驗(yàn)貨與合規(guī)服務(wù)，審核服務(wù)，計(jì)量校準(zhǔn)...