微波射頻開關(guān)

基于labview平臺由計算機(jī)提供給射頻開關(guān)的電壓控制信號是數(shù)字信號，極高電平為5v，低電平為0v，而射頻開關(guān)需要的電壓控制信號是10v，因此需要把5v轉(zhuǎn)換為10v。當(dāng)輸入信號input1為5v時，q3導(dǎo)通，q5截止，q1導(dǎo)通，所以output1為0v。這時q4截止，q6導(dǎo)通，q2截止，output2輸出vcc為10v。最終，使得當(dāng)labview提供5v電壓時，輸入到開關(guān)的電壓為10v和0v；而當(dāng)輸入信號input1為0v時，q3截止，q5導(dǎo)通，q1截止，所以output1為10v。此時q4導(dǎo)通，q6截止，q2導(dǎo)通，output2輸出為0v，輸入到開關(guān)的電壓為0v和10v。滿足微波射頻開關(guān)的工作電壓。

由于設(shè)計的合理性，此微波射頻開關(guān)參數(shù)（反射系數(shù)、傳輸系數(shù)、隔離度）非常理想。本設(shè)計高度模塊化，使得電路故障的檢測變得容易。另外，設(shè)計應(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。

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格比較昂貴。所以一般要用開關(guān)對多輸入多輸出的信號進(jìn)行切換，然后用比較簡單的二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析測量。在核磁共振系統(tǒng)中，一般接收系統(tǒng)的通道個數(shù)小于天線線圈的個數(shù)，所以多路線圈也要應(yīng)用開關(guān)進(jìn)行切換選擇。 　目前一般的設(shè)計中用現(xiàn)成的開關(guān)芯片實現(xiàn)切換功能。但是大多數(shù)的開關(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單的開關(guān)功能，但是它對防靜電要求非常高，一般的實驗室和生產(chǎn)車間的條件很難達(dá)到廠家的要求，所以實際應(yīng)用起來很不方便，容易損壞。在本設(shè)計中，設(shè)計了一種新型的應(yīng)用pin diodes的射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)的功能是4路rf輸入信號選擇其中任意2路rf信號輸出。

1）由于設(shè)計的合理性和對稱性，保證了在一定的帶寬（120mhz）內(nèi)很低的傳輸損耗。其中s21表示的是：對于一個微波網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其他端口都匹配，即接50r電阻匹配時，所測兩端口的傳輸，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)，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場大小決定的，對于1.5t系統(tǒng)共振頻率為63.6mhz。 　3）保證了很好的隔離度，中心頻率處隔離度達(dá)到-30 db以下。 　4）在實際應(yīng)用中，對于使用頻率高的電子元器件一個最重要的性能和指標(biāo)就是對于應(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，克服了以往的開關(guān)芯片容易損壞，可靠性差的缺點。

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。例如：對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

從電子學(xué)和物理學(xué)觀點來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點：

穿透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450兆赫茲，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的振動，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

熱慣性小

微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

似光性

微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減?。皇瓜到y(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。

由于微波波長與物體（實驗室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點又與較長的波相似，即所謂的似長波性。例如微波波導(dǎo)類似于無線電中的接收器；喇叭天線和縫隙天線類似于無線電中的發(fā)射器；微波諧振腔類似于無線電共振腔。

非電離性

微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對廢棄橡膠進(jìn)行再生，就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵）。再有物理學(xué)之道，分子原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。

信息性

由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。

利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點。除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報道還比較少。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運動的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。 〖圖片說明：模擬的有限宇宙微波背景輻射圖象，匹配的圓圈上具有相同的冷熱分布?！?