探秘微波射频开关：从设计难题突破到核磁共振应用的创新之路

发布时间：2025-02-14 15:29:19

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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在射频（RF）技术蓬勃发展的今天，微波射频开关作为信号切换的关键部件，广泛应用于各类电子设备和系统中。然而，传统的开关芯片在实际使用过程中存在着诸多问题，这促使科研人员不断探索新的设计方案。在核磁共振系统等对信号处理要求极高的领域，一款性能优良的微波射频开关显得尤为重要。今天，我们就来深入了解一种专门为核磁共振系统设计的新型微波射频开关。

在射频系统中，信号的输入输出端口众多。如果使用多端口网络分析仪来分析散射特性，成本会非常高昂。因此，借助开关对多输入多输出的信号进行切换，再利用较为简单的二端口网络分析仪进行分析测量，成为了更为经济可行的方法。在核磁共振系统里，接收系统的通道数量通常少于天线线圈的数量，此时就需要通过开关对多路线圈进行切换选择。在过往的设计中，大多采用现成的开关芯片来实现信号切换功能。但这类芯片普遍存在可靠性差、易损坏的问题，其供电线路也较为复杂。就拿 SW - 437 芯片来说，虽然它能够完成基本的开关功能，可对防静电要求极高，普通的实验室和生产车间很难达到其规定的条件，这使得它在实际应用中极为不便，频繁出现损坏情况。

为了解决这些问题，研究人员设计出了一种新型的基于 pin diodes 的射频开关转换电路。该电路旨在实现从 4 路 RF 输入信号中选择任意 2 路 RF 信号输出的功能，并且应用于共振测试系统。整个系统基于 LabView 软件平台，由计算机提供电压控制信号。不过，计算机提供的是数字信号，只有高低电平之分，高电压为 5V，低电压为 0V，而射频开关需要的是 10V 的电压控制信号，所以必须进行电压转换。整个电路主要由电压转换电路和射频开关电路两部分构成。最终的设计效果是，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。

在电压转换电路的设计上，其原理并不复杂。基于 LabView 平台，计算机输出的电压控制信号为 5V 的数字信号，而射频开关需要 10V 的电压。通过特定的电路设计，当输入信号 input1 为 5V 时，Q3 导通，Q5 截止，Q1 导通，此时 output1 为 0V；与此同时，Q4 截止，Q6 导通，Q2 截止，output2 输出 10V 的 VCC。这样一来，就实现了将 5V 转换为适合开关工作的 10V 和 0V 电压。反之，当 input1 为 0V 时，各晶体管的导通和截止状态发生变化，同样能使输入到开关的电压符合要求。

射频开关电路的设计则更具挑战性。设计人员利用直流信号来控制 pin diodes 二极管的通断，让输入的射频信号通过导通的二极管输出。通过改变控制逻辑，就能改变输入射频信号的输出路径。在具体设计过程中，选用了 INFINEON technologies 公司的 BA592 二极管，其导通的最佳性能电流为 5mA，因此在设计中加入了 10V 的控制电压，并合理设置回路电阻 R7、R8、R11、R12 的大小均为 10K。考虑到电路工作的中心频率为 63.6MHz，处于高频段，为保证输入输出端口的匹配，在一路射频信号输出时，另一路信号需要接上 50R 电阻。同时，由于电路中既有直流信号又有交流信号，为避免二者相互干扰，采用 10nF 的耦合电容，它对交流信号短路，对直流信号断路；采用 18μH 的耦合电感，它对交流信号断路，对直流信号短路。

在基本模块及模块之间的连接方面，设计了两输入两输出模块（2x2）和两输入一输出模块（2x1）。在 2x2 模块中，通过在 CTRL3、CTRL4 之间加入不同的直流电压，可以控制二极管的导通情况，进而实现输入信号的不同输出路径选择。在 2x1 模块中，通过控制信号 7、8 控制二极管通断，实现两路输入信号中选择一路输出，并通过 50R 电阻实现匹配。整个电路通过模块连接，形成了一个完整的信号切换系统。通过 4 路控制信号可以控制 12 种状态，建立相应的数据库，并借助 LabView 编写程序应用到测试中。

这种新型微波射频开关在核磁共振系统中的应用，有效解决了传统开关芯片存在的问题，为相关研究和应用提供了更可靠的信号切换方案。随着技术的不断发展，相信未来还会有更多创新的设计出现，进一步推动微波射频开关在各个领域的应用和发展。在电子技术不断革新的浪潮中，这样的创新设计无疑为行业发展注入了新的活力，也为后续的研究和改进提供了宝贵的经验。

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