微波射频开关电压转换电路

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。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。

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。

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。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，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，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。

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。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。例如：对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：

穿透性

微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450兆赫兹，使介质的分子每秒产生24亿五千万次的振动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

选择性加热

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

似光性

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与较长的波相似，即所谓的似长波性。例如微波波导类似于无线电中的接收器；喇叭天线和缝隙天线类似于无线电中的发射器；微波谐振腔类似于无线电共振腔。

非电离性

微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。再有物理学之道，分子原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。

信息性

由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。

利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小等特点。除主要用于环境样品预处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。在国内，微波萃取技术用于中草药提取这方面的研究报道还比较少。

微波萃取的机理可从以下3个方面来分析：①微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。②微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。③由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以24．5亿次/s的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。 〖图片说明：模拟的有限宇宙微波背景辐射图象，匹配的圆圈上具有相同的冷热分布。〗