一种新型微波射频开关(4×2)的设计与应用

1 引言

通常RF系统中有许多输入输出端口，用多端口网络分析仪分析散射特性价格昂贵，一般采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MR系统中，一般接收系统的通道数小于天线线圈数，所以多路线圈也要应用开关进行切换选择。

目前大多采用现成的开关器件实现切换功能。但是大多数的开关器件可靠性低、易损坏、供电线路复杂。例如SW-437器件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很难达到器件的要求，所以在实际应用中不方便，容易损坏。本文设计了一种新型的应用pin diodes的射频开关转换电路，实现4路RF输入信号选择其中任意2路RF信号输出功能。

2 电路设计

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，从而控制输入射频信号的输出。设计步骤如下：

1)根据设计要求设计直流控制电路

本电路二极管采用Infineon公司的BA592，导通的最佳性能电流是5 mA。所以满足二极管的要求在设计中加人的控制电压是10 V，回路电阻R7，R8、R11、R12的大小均为10 kΩ。

2)根据散射特性的要求设计交流信号电路

电路工作的中心频率为63.6 MHz，属于高频段，因此要保证输入输出端口的匹配。即一路射频信号输出的时候，另外一路信号应该接50 Ω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。根据频率的要求选用10 nF的耦合电容，交流信号短路，而直流信号断路；而选用18μH的耦合电感，对于交流信号断路，而直流信号短路。

3)电路基本模块及其模块的设计之间的连接

图1和图2是电路的基本模块。图1是2输入2输出模块(2×2)：在CTRL3、CTRL4之间加入10 V的直流电压，即在CTRL3加10 V电压，CTRL4加0 V电压时，二极管D6、D9导通。这时候输入信号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，即在CTRL4加10 V电压，而CTRL3加0 V电压时，二极管D5、D10导通，输入信号input1通过二极管D5输出，输人信号input2通过二极管D10输出。从而达到两路输人信号同时输出，而且可以通过控制信号的逻辑转换改变输入信号输出方向的目的。

图2是2输入1输出模块(2×1)：控制信号7、8控制二极管的通断，实现二极管D13、D16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3是整个电路的模块连接框图，表示了模块之间的逻辑关系，信号的传输过程如下：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2×1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面的2×1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。同样，当改变控制逻辑时，就可以选择想要的输入信号的输出。当控制逻辑为1110，则输出信号为input1和input4。4路控制信号可以控制12种状态，对应建立数据库，可以通过Labview编写相关程序应用到测试中。

4)印制电路板的设计

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而存在地电位造成的，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且满足2W准则，W是印制板导线的宽度，即导线间距不小于2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°，导线宽度没有突变，无突然拐角。

地线设计：地线设计是最重要的。"地线"可以定义为信号流同源的低阻抗路径，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，完全接地，各接地点之间没有电位差。

在PCB板制作中，模块之间设置跳线，使得模块互相独立，这样模块可以单独测试性能，当电