根据磁共振原理，核自旋的进动频率由原子核所在环境的磁场强度决定.为探测样品中某种原子核的磁共振信号，先通过发射线圈发射激发原子核的射频信号，其功率较大，一般不小于几十瓦；然后关闭射频发射，再通过接收线圈接收原子核辐射的磁共振信号，其幅度一般仅在微伏量级.

磁共振系统中的发射/接收（transmit/receive，T/R）开关被用于发射通路和接收通路的快速切换，大致可以分为两种：一种放置在射频功放与发射线圈之间；另一种则位于接收线圈与前置放大器之间.对于后者，其开关性能非常重要：在发射期间，T/R开关需要隔离大功率射频信号，避免造成接收通路的前置放大器损坏；在接收期间，T/R开关需具有足够低的插入损耗，尽量避免对微弱的磁共振信号造成衰减.同时，要尽量缩短T/R开关的收发切换时间，这样接收机就能更早地对磁共振信号进行检测，尤其是对于短驰豫样品的检测更加有效.通常，磁共振系统中的磁体不会改变，对于特定自旋的探测，发射和接收前端一般为窄带系统.为实现多核探测^[1]，一般通过配置多个调谐探头^[2]或者采用多调谐电路^[3-6]实现，相应的T/R开关也需要配置多个调谐回路，通过切换不同的回路实现工作频率的切换^[7].相比窄带系统，宽带磁共振系统^[8-10]可简化多核探测的过程，无需配置多个探头，但T/R开关需在宽带范围内实现大功率隔离和低插入损耗.

宽带T/R开关一般使用晶体管电路实现，通过电信号控制晶体管的通断以实现开关功能.目前在射频T/R开关设计中广泛使用PIN（positive-intrinsic-negative）二极管作为开关器件.PIN二极管在P和N半导体材料之间加入了一层低掺杂的本征半导体层，使得其对于射频信号，相当于直流电源控制的可变电阻.与使用场效应管或三极管构成的射频开关^{[11, 12]}不同的是，PIN二极管开关^[13]有着更低的插入损耗、更小的结间电容，以及更低的噪声系数，同时可以实现更快的开关速度.与普通二极管相似，PIN二极管基于电流工作：施加正向偏置电压时，PIN二极管导通；施加反向偏置电压时，PIN二极管截止.PIN二极管的导通和截止特性使得单个PIN二极管在状态切换时存在0.7 V的电平跳变.为了提高PIN二极管开关的隔离度，一般通过串联多个PIN二极管实现，但串联的PIN二极管越多，则开关产生的电平跳变就会越高.在磁共振系统中，T/R开关的后级连接的是低噪声放大器，过高的电平跳变会使得放大器饱和或损坏，无法正常放大磁共振信号.另外，磁共振系统所使用的射频发射功率一般较大，发射期间如果射频发射幅度超过PIN二极管的反向偏置电压，则会造成PIN二极管被动导通，导致大功率射频泄漏到后级放大器.将PIN二极管作为射频开关使用时，开关导通时正向偏置电流和射频信号同时流过PIN二极管，为了能保证射频信号不会流入直流偏置电路造成衰减，偏置回路必须能够实现阻交流、通直流的特性.在窄带系统中，一般通过1/4波长传输线或谐振电路实现对特定频率射频信号的隔断；而在宽带系统中，为保证能在较宽的频段内分离射频和直流信号，一般会在偏置电路中串联一个较大的电感.射频开关的工作频率越低，电感的感值就越大.由于电感中的电流无法快速改变，当PIN二极管从反向偏置切换到正向偏置时，电感会阻碍偏置电流，并延长开关时间.同时电感为储能器件，当PIN二极管从正向偏置切换到反向偏置时，其储存的能量会在切换瞬间释放，造成开关振荡，导致后级放大器饱和甚至损坏.

PIN二极管有着良好的射频性能，非常适合运用在宽带T/R开关中.但使用PIN二极管设计射频开关，要注意偏置回路和射频回路的设计，保证开关的射频性能和开关速度.本文提出的电路结构优化方法，解决了PIN二极管存在的电平跳变、开关振荡和被动导通等问题，设计了工作频率范围为10~100 MHz、插入损耗小于1 dB、大功率信号隔离度大于75 dB、开关时间1 μs的宽带磁共振T/R开关.

基于PIN二极管的低噪声特性，本文将PIN二极管作为开关器件串联在射频通路中，通过驱动电路控制PIN二极管的导通和截止实现射频开关的功能.图 1中设计的T/R开关分为开关级和驱动级^[14]两部分，开关级的主要部件为PIN二极管D1~D6.PIN二极管串联在射频通路中，在T/R开关导通时射频通路中存在偏置电流，需要在偏置回路中串联电感L1~L3以实现阻交流、通直流的功能.由于驱动级采用了电压驱动，为控制PIN二极管中的偏置电流大小，需在偏置回路中串联限流电阻R1.电感L1和L2旁并联了开关二极管D7~D10，用于优化开关振荡，缩短开关时间.GATE端为高电平时驱动级输出负电压；低电平时输出正电压，通过输出电压的切换来控制PIN二极管的通断.驱动级的波形调整电路包括逻辑切换和延时电路，可调整GATE的触发逻辑和延后时间，以兼容不同磁共振系统的GATE电平形式（正逻辑或负逻辑）.为避免Q1和Q2两个MOSFET管同时导通而造成电源短路，需要保证两个MOSFET驱动的输出存在一定的延时.

PIN二极管的偏置回路中串联了电感L1~L3，将电感L1和L2一端接地，另一端置于射频的输入和输出端口，这样的连接方式可减小T/R开关状态切换瞬间电平的跳变.驱动电流在T/R开关导通时流过电感L1和L2，一般高Q电感的直流电阻在1 Ω以下，这样T/R开关导通时，在电感L1和L2上只存在很小的电压降，从而避免了在输出端产生直流偏置电压.T/R开关关断时，电感L1和L2上的电压为0 V，此设计可有效减小T/R开关的输入和输出端在状态切换时的电平跳变.

为了有效阻隔交流信号，L1~L3使用电感值较大的电感以保证隔离度.在T/R开关导通或关断的瞬间，由于电感L1和L2中电流无法突变，所以会在输入和输出端产生一个开关振荡信号.通过在电感旁并联续流二极管和泄能二极管可有效缩短振荡信号的持续时间和电压幅度.以输出端电感L2为例，D10为电感L2的续流二极管，在T/R开关导通瞬间，驱动电压从高电平切换到低电平，由于电感L2中的电流无法突变，所以此时T/R开关偏置电流通过D10二极管续流.待驱动电流切换完成后，偏置电流继续由电感L2续流，续流二极管有效加快了T/R开关的打开速度.D9为电感L2的泄能二极管，当T/R开关关断瞬间，驱动电压从低电平切换到高电平，此时PIN二极管D6截止，则电感L2储存的能量通过D9进行泄放.泄能二极管有效消耗了电感L2中的能量，消除了T/R开关关断瞬间的振荡.续流和泄能二极管应选用开启速度较快的开关二极管，这样可有效提高续流和泄能的性能.D7和D8二极管需要根据线圈类型选择是否安装，当T/R开关的源端为收发分离的双线圈时，D7、D8为电感L1提供续流及泄能通路，可进一步减小开关振荡；而当T/R开关的源端为自发自收的单线圈时，需要将二极管D7和D8去除，防止磁共振射频发射信号被衰减.虽然去除D7和D8会增加T/R开关切换期间输入端的开关振荡，但是由于D1~D6能够提供很高的隔离度，其输出端依然能够保持高速、低振荡的切换.

当磁共振系统切换至发射状态时，射频功放发射大功率射频信号激发样品，此时要求接收端T/R开关对大功率射频信号有良好的隔离度.为防止PIN二极管被动导通，将PIN二极管D1~D6分为两组：D1~D3和D4~D6，每组中PIN二极管方向相同，但两组PIN二极管的方向相反，串联在射频通路中.当T/R开关处于截止状态或者断电状态时，如果此时输入端输入了一个大功率信号，PIN二极管D1~D3能够阻隔大功率射频信号的负半周；D4~D6能够阻隔大功率射频信号的正半周.大功率射频信号无法同时导通两组PIN二极管，这种连接方法可有效抑制大功率信号.串联的PIN二极管数量越多，T/R开关的隔离度就会越高，但同时也会增加开关的插入损耗.实际测试中，根据使用的射频功率大小，在满足要求的情况下，尽量减少PIN二极管的数量，从而降低对磁共振信号的衰减.

本文用于测试的磁共振谱仪配备的是用于自发自收的单线圈探头.为防止射频发射功率衰减，测试T/R开关性能时均去除了图 1中的D7和D8两个二极管，并且采用6个PIN二极管D1~D6串联设计，在最大300 W的射频脉冲功率情况下，磁共振信号的接收性能仍然能得到很好保证.为了测量宽带T/R开关的插入损耗和隔离度，将开关的输入端口连接到网络分析仪4396B（Keysight Technologies）的端口1；输出端连接到端口2，测量T/R开关在10~100 MHz范围内的反射系数，即S₂₁参数（端口2和端口1电压波比值，以对数形式表示）.图 2(a)纵坐标（1 dB/格）中心为0 dB，55 MHz时，S₂₁为−0.628 dB，由此可知，T/R开关导通时，在10~100 MHz频率范围内的插入损耗为0.6 dB左右，同时平坦度在±0.5 dB以内.图 2(b)的纵坐标（10 dB/格）中心为−100 dB，此时的测量结果接近仪器底噪，存在一定波动，但仍可以发现宽带范围内大多数频点的测量值均低于−90 dB，因此可知T/R开关关断时，对于小信号的电压隔离度达到了90 dB左右.

小信号的隔离度不能代表T/R开关对大功率信号的隔离度，由于网络分析仪无法直接测量T/R开关对大功率射频信号的隔离度，因此本文使用真实的磁共振射频功放发射大功率射频信号，通过门控信号来控制功放的输出，用50 Ω大功率负载替代磁共振线圈，测量T/R开关关断时对大功率信号的电压隔离度（图 3）.使用示波器DSOX1204A（Keysight Technologies）通道1连接门控信号作为示波器触发信号，通道2测量功放输出端电压，通道3测量T/R开关输出端电压.当门控信号为低电平时磁共振射频功放打开，开始输出射频信号.这里的射频功放输出了峰峰值高达55 V的大功率射频信号.在经过T/R开关后，射频信号衰减到了仅有9.6 mV.T/R开关对大功率射频信号的电压隔离度（ISO）达到了75.16 dB（$ {\text{ISO}} = 20\, \lg \frac{{{V_{{\text{IN}}}}}}{{{V_{{\text{OUT}}}}}} = 20\, \lg \frac{{55\;{\text{V}}}}{{9.6\;{\text{mV}}}} = 75.16\;{\text{dB}} $），说明将PIN二极管方向相反串联的设计能够阻挡大功率射频信号，可有效保护后级的放大器不会在射频发射期间饱和或烧毁.

为测量T/R开关的开关速度和开关过冲，向T/R开关GATE端输入一个频率为33 Hz、脉宽为100 μs、幅度为5 V的脉冲信号模拟磁共振正常工作时的门控信号，在输入端输入一个频率为55 MHz的正弦信号.如图 4所示，示波器MSO9104A（Keysight Technologies）通道1连接T/R开关的GATE端作为示波器触发信号，通道2切换至50 Ω端口测量T/R输出端电压.T/R开关在门控信号切换后存在200 ns左右的延时，此延时为驱动级电路的固有延时.之后驱动级输出驱动电压，在T/R开关打开过程中，其输出端存在过冲振荡，此振荡的幅值为0.8 V.在GATE信号上升沿后1 μs左右，T/R开关完全导通，开关振荡基本消失，说明电感L2旁的泄能和续流二极管具有很好的效果，实现了缩短开关时间、抑制开关振荡的作用.

为验证宽带T/R开关的开关性能和宽带性能，一般需要将磁共振系统中的窄带T/R开关替换为本文设计的宽带T/R开关，并对不同频率的样品进行探测.本实验室有一台自主研制的、具有氟锁功能的0.5 T磁共振仪器：其磁体是专门定制的，具有B₀补偿线圈和匀场线圈；采用了本实验室自制的Dispect 2.0控制台实现仪器控制和数据处理；具备氢核（21.4 MHz）和氟核（20.03 MHz）两套完整的射频发射与接收单元，其中氢功放的射频功率为300 W、氟功放的射频功率为20 W.将仪器原有磁共振探头中基于1/4波长线的窄带T/R开关拆除，替换为本文设计的宽带T/R开关，分别测试氢核和氟核的磁共振信号（图 5）.测氢核时，TX端连接氢射频功放、RX端连接氢接收前放、线圈调谐至21.4 MHz；测氟核时，则更换为对应的氟功放和氟前放，同时线圈调谐至20.03 MHz.

分别使用去离子水和98%六氟苯溶液作为样品，在0.5 T磁共振波谱仪上使用单脉冲序列探测样品中氢核和氟核的自由感应衰减（free-induction-decay，FID）信号.由于氢核与氟核使用的功放不同，在射频发射期间，除了发射频率不同，氢功放和氟功放的90˚脉冲参数也不同：氢功放发射脉宽为25 μs，功率为19%；氟功放脉宽为77.5 μs，功率为55%.射频接收期间，两者的接收带宽均设置为100 kHz.图 6为探测到的氢核和氟核的磁共振谱图，信号的信噪比（signal-noise-ratio，SNR）分别为213.01和47.31.使用相同的发射和接收参数，利用窄带T/R开关探测到FID信号的SNR分别为250.70和48.65，本文宽带T/R开关的接收性能和窄带开关相近.本文设计的宽带T/R开关不需要调谐即可工作在不同频率的磁共振探测中，验证了T/R开关的宽带性能.

本文基于PIN二极管设计的宽带T/R开关，解决了PIN二极管电平跳变、被动导通和开关振荡等问题，在10~100 MHz范围内实现了小于1 dB的插入损耗、大于75 dB的大功率隔离度、1 μs的开关速度.利用本文设计的宽带T/R开关替换系统原来的窄带开关，并在0.5 T磁共振波谱仪上，分别探测到了氢核和氟核两个不同频率的磁共振信号，在一定程度上验证了宽带的性能.由于目前实验室的磁共振波谱仪只具备探测氢核和氟核的两个窄带射频功放，所以计划后期购入宽带射频功放，进一步验证宽带T/R开关在整个宽带范围的性能.本文设计的宽带T/R开关将开关振荡信号控制到了1 V以内，使得后级低噪声放大器的过冲保护设计相对容易，不会造成放大器振荡或损坏等.进一步优化甚至消除开关振荡，不仅可以缩短开关时间，更是降低了对后级前置放大器的设计难度，为下一步的宽频磁共振仪器研制奠定基础.