射频开关:SPDT、级联、树形和矩阵开关

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一、射频和微波开关
 
鉴于通信行业的爆炸性增长,从射频集成电路(RFIC)和微波单片集成电路(MMIC)等有源元件到完整的通信系统的各种组件需要大量测试。虽然这些部件的测试要求和程序差别很大,但所有部件都是在非常高的频率下进行测试的,通常在吉赫兹范围内。测试系统的主要部件可能包括直流偏压、直流测量、射频功率计、网络分析仪、射频源和其他仪器。自动化测试过程和提高测试效率需要将射频/微波和低频开关系统集成到测试系统中。
 
射频(或微波)信号有不同于直流或低频交流信号的开关考虑因素,包括插入损耗、串扰、传输延迟和无端接的短截线。因此,射频信号的开关配置旨在将信号损耗降至最低,并通过系统保持特性阻抗。SPDT、级联、树或矩阵开关可用于微波信号路由。
 
二、微波开关类型
 
可用的微波开关配置包括一个简单的单刀双掷(SPDT)开关、多位置开关、级联和树开关、矩阵开关。
 
2.1 SPDT开关
 
SPDT开关有一个输入端口,可以连接到两个输出端口中的一个。多位置开关将一个输入端口连接到多个输出端口之一。pickering的SPDT射频开关最多可有17个通道,频率最高可达8GHz,阻抗为50 ohm和75 ohm。
 
2.2 级联开关
 
级联开关使用多个继电器将一个输入连接到多个输出之一。路径长度(因此,相位延迟)会有所不同,这取决于信号必须经过的继电器数量。
 
级联开关用于将一台仪器连接到具有最小阻抗不连续性的多个设备或测试点之一。这一点很重要,主要是在10MHz及更高的频率下防止不必要的信号反射。这种反射会在振幅测量中产生误差。如图1所示,任何一个继电器的启动都会断开所有其他设备与电源的连接。在本例中,如果通道1(通道1)被激活,则从源到设备2建立一个恒定的阻抗路径。所有其他设备都与此路径隔离。利用两个级联开关组,可以对每个被测设备进行源和测量连接。级联配置的优点是没有未端接短截线,并且配置易于扩展。级联配置的一个缺点是,信号可能通过多个开关触点传递到被测设备,导致信号损失更大。传播延迟随路径长度的增加而大。
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图1. 级联开关配置
 
2.3 树开关
 
图2所示的树开关配置是级联配置的替代方案。与级联配置相比,树技术需要更多的继电器用于相同大小的系统,但是给定路径和任何未使用路径之间的隔离可能会更好一些。这将减少串扰和直流泄漏。树形开关配置也用于大于10MHz的频率。
 
树配置的优点包括没有未端接短截线,以及通道具有相似的特性。然而,给定路径中的多个继电器意味着会有更大的损耗。
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图2. 多路复用(两层树开关)
 
例如pickering40-876-104 3GHz多路复用开关板卡、40-881A-002 8 GHz多路复用开关板卡均采用树形配置,阻抗为50 ohm和75 ohm。
 
2.4 矩阵开关
 
矩阵开关可以将任何输入连接到任何输出。微波开关中使用两种矩阵:阻塞矩阵和非阻塞矩阵。一个阻塞矩阵将任何一个输入连接到任何一个输出。其他输入和输出不能同时连接。非阻塞矩阵允许通过矩阵同时连接多条路径。级联开关是多位置开关的另一种形式。
 
对于矩阵,构建给定交换系统所需的射频继电器和电缆的数量(成本高)与系统输入和输出的数量相关。矩阵开关有三种基本类型:阻塞矩阵、非阻塞矩阵和完整或部分访问矩阵。
 
图3和图4都是4×4的开关矩阵。区别在于可以同时切换多少信号。图3的阻塞矩阵允许将单个输入连接到任何单个输出。因此,在任何给定时间只有一个信号路径是可用的。
 
图4中的非阻塞矩阵允许同时连接多个输入/输出信号路径,如果需要,可连接到矩阵输入的完整数量。随着继电器和电缆数量的增加,这种配置更加灵活和昂贵。
 
尽管可以关闭多条路径,但这仅适用于直流测试,例如,对多个DUT施加连续偏压。考虑阻抗要排除在射频和微波测试中关闭多条路径。
 
完整或部分访问矩阵,也称为完整或部分输出端数矩阵(图5),允许同时将输入连接到多个输出。这种矩阵需要在每个输入端都有一个功率分配器,在输出端需要一个多位置开关。
 
这些开关的优点包括没有未端接的短截线、可使用所有通道以及类似的路径特性。缺点包括需要广泛的布线和使用许多同轴继电器。
 
Pickering的40-884A-001 10 MHz - 8 GHz矩阵开关,是4 x 4通道,阻抗为50 ohm和75 ohm,可以使用任何矩阵开关位置。
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图3. 单通道阻塞矩阵
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图4. 非阻塞矩阵
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图5. 完全访问矩阵
 
三、射频开关选择和设计注意事项
 
在选择射频开关系统时,要考虑一些关键电气规范包括串扰(路径隔离)、插入损耗、电压驻波比(VSWR)和带宽。在设计射频开关系统时,可能影响开关系统性能的其他因素包括阻抗匹配、端接、功率传输、信号滤波器、相位畸变和布线。开关的使用不可避免地会降低测量系统的性能,因此重要的是要考虑几个可能显著影响系统性能的关键参数。在设计阶段,成本和收益经常相互权衡,以获得最佳解决方案。
 
3.1 串扰
 
串扰是测量高频信号从一个通道泄漏到另一个通道。它是通道间杂散电容、互感和漏电电阻的结果,通常在特定频率下以分贝表示。
 
图6显示了串扰的一个例子。在本例中,10V交流信号源(v1)通过开关卡的通道1连接到负载电阻(r)。交流电压表(V2)通过通道2连接到第二信号源。
 
通道1和通道2之间的阻抗(Z)引起的串扰以分贝为单位规定为:
5-1
这个方程也可以用射频功率表示
5-2
6
图6. 串扰例子
 
为了在通道2上找到由于通道1上的信号而产生的最大信号,方程式为V2:
 
V2 = V1 [10^(crosstalk (dB)/20)]
 
例如,如果通道隔离或串扰规格为–60dB,通道1上的10V信号将导致在信号源设置为零伏的情况下,在V2处出现以下电压:
 
V2 = V1 [10^(–60/20)]
 
V2 = 10V (10–3)
 
V2 = 10mV
 
如果要在通道2处测量的信号只有几毫伏,则该附加电压将导致严重的误差。
 
如果开关将用于直流或甚低频交流信号,考虑并联电容的漏电电阻的隔离可能更容易。
 
3.2 隔离
 
是对开关卡上路径之间的漏电电阻的测量。路径可以在任何终端和接地(共模)之间,也可以在任何两个终端之间。例如,可以是任意两个通道(通道到通道)之间的电阻,也可以是给定通道(差分)的Hi和Lo输入之间的电阻。绝缘是根据电阻和电容来规定的。隔离度应尽可能高,以避免切换高阻抗电路时出错。
 
通常不需要验证开关板卡上的隔离电容,因为电容是机械功能,不应随时间变化。相反,隔离电阻会随着时间的推移而变化,因为它会受到湿度变化的影响,也会受到环境或开关板卡操作造成的污染的影响。
 
绝缘电阻的测量通常是通过提供电压,然后用静电计或皮安计测量产生的电流来完成的。隔离电阻按R = V/I计算。如何执行隔离测量的一般说明如下。
 
a. 通道到通道。这是多路复用器开关卡上任意两个通道之间的隔离测量。在一个通道打开和一个通道关闭的情况下进行测量。
 
两极A型开关板卡的测量示例(通道1到通道2)
 
(1). 断开卡的所有连接。
 
(2). 将通道1的HI和LO端口连接在一起。
 
(3). 将通道2的HI和LO端口连接在一起。
 
(4). 关闭通道2
 
(5). 测量通道1输入和通道2输入之间的电阻。
 
b. 输入隔离,差分。这是给定通道上的HI和LO之间的隔离。这种电阻包括继电器两极之间的漏电以及印刷电路板引起的漏电。
 
两极A型开关板卡测量示例(通道1):
 
(1). 断开卡的所有连接。
 
(2). 关闭通道1。
 
(3). 测量HI和LO输出之间的电阻。
 
c. 输入隔离,共模。这是给定通道的输入(hi和lo)与保护或屏蔽之间的隔离。本规范仅适用于带保护或屏蔽的两极卡和带保护的三极卡。
 
测量实例(通道1)
 
(1). 断开卡的所有连接。
 
(2). 将通道1的HI和LO端口连接在一起。
 
(3). 关闭通道1
 
(4). 测量输出端口和防护或屏蔽端口之间的电阻。
 
d. 路径。矩阵卡的路径隔离是从一条路径的HI和LO终端到任何其他路径的HI和LO终端的阻抗。通常,通过在两个相邻路径之间施加电压(即100 V)来测量绝缘,然后测量泄漏电流。然后用欧姆定律(R = V/I)计算隔离电阻。
 
两极矩阵板卡的测量示例(第1行,第1列至第2行,第2列)
 
(1). 断开卡的所有连接。
 
(2). 将第1列的HI和LO端口连接在一起。
 
(3). 将第2列的HI和LO端口连接在一起。
 
(4). 关闭第1行、第1列和第2行、第2列的交叉点。
 
(5). 测量第1列和第2列之间的电阻。
 
3.3 插入损耗
 
插入损耗是由于信号通路中的开关而导致的信号量减小的度量。插入损耗以分贝为单位,通常以50 ohm电源和50 ohm负载,并以特定频率给出。
 
图7是将输出阻抗(ZS)为50 ohm的电压源(VS)连接到输入阻抗(ZL)为50 ohm的电压表的射频开关卡的示意图。
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图7. 插入损耗示例 
 
插入损耗计算如下:
7-1
为了确定插入损耗如何影响信号,可以根据插入损耗计算电压表处的测量值(VL),如下所示:
 
VL = VS /10^[Loss(dB)/20],  损失用正值表示。
 
如果VS为10 V且插入损耗小于1.0 dB,则:
 
VL > 10V/ 10^(1.0/20), VL大于 8.9 V。
 
3.4 电压驻波比
 
开关卡的电压驻波比(VSWR)规定了连接器和开关信号路径与传输线的特性阻抗的匹配程度。更具体地说,电压驻波比是驻波最大点的电压与驻波相邻最小点的电压之比。当电压驻波比等于1时,传输线不存在反射波。当电压驻波比大于1时,部分开关信号被反射回电源,小于最大功率的信号将被传输到负载。低电压驻波比对于设计用于信号串联多个元件的开关系统至关重要。电压驻波比还通过以下方式与反射系数相关
7-2
式中:ρ=反射系数
 
反射系数是反射波电压与入射波电压之比,其计算公式为
7-3
式中:ZL =负载阻抗,ZS =开关卡的阻抗
 
为防止出现问题,系统中的所有组件都应具有较低的电压驻波比。电压驻波比也可以表示为回波损耗
7-4
如图8所示,系统的电压驻波比为1.50:1,回波损耗为14dB,正向功率为50W,反射功率为2W。
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图8. 阻抗失配示例
 
3.5 3dB带宽
 
3dB带宽是通过开关卡的正弦波信号的最大推荐频率。这是信号降低到中频信号电平0.707倍的频率。
 
本规范基于单开关卡。如果两个或多个卡连接在一起,3dB带宽将减少。
 
如果开关用于数字信号,最小带宽可通过以下方式确定:
 
带宽(Hz)=0.35/上升时间(s)
 
3.6 阻抗匹配
 
假设开关位于测量仪器和被测设备之间,匹配系统中所有元件的阻抗水平至关重要。为了实现最佳信号传输,源的输出阻抗应等于开关、电缆和被测器件的特性阻抗。在射频测试中,最常用的阻抗等级是50 ohm和75 ohm,无论需要哪种阻抗等级,适当的匹配都能保证整个系统的完整性。
 
输入电压驻波比和信号路径电压驻波比决定了测量精度的限制:
 
失配不确定度(dB) = 20 × log (1 ± |Γ |^2 )
 
反射系数:Γ = (VSWR -1) /(VSWR + 1)
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如果信号路径输出和仪器输入在一个频率下都具有1.3:1的良好VSWR,那么仅由失配引起的不确定性为±0.15dB。
 
3.7 端接
 
在高频下,所有信号必须正确端接,否则电磁波将从终止点反射。反过来,这将导致电压驻波比的增加。未端接开关在其关闭状态下增加了电压驻波比,而端接开关将尝试提供50欧姆匹配开或关。如果反射功率足够大,电压驻波比的增加甚至会损坏电源。通过系统的所有路径必须以其特性阻抗终止。
 
3.8 功率传输
 
另一个重要的考虑因素是系统将射频功率从仪器传输到被测设备的能力。由于插入损耗,信号可能需要放大。在其他应用中,可能有必要降低DUT的信号功率。可能需要一个放大器或衰减器来确保通过开关传输所需的功率电平。
 
3.9 信号滤波器
 
信号滤波器在许多情况下都是有用的,例如,当信号通过开关时,杂散噪声被无意中添加到信号中。有助于解决原始信号频率与被测设备的测试频率不匹配问题。可以在开关上添加滤波器以修改信号频率带宽,或者可以从到被测设备的信号中消除不需要频率的杂散信号。
 
3.10 相位畸变
 
随着测试系统尺寸的扩大,来自同一个源的信号可能通过不同长度的路径传输到被测设备,从而导致相位畸变。这个规范通常被称为传播延迟。对于给定的传导介质,延迟与信号路径的长度成正比。不同的信号路径长度将导致信号相位偏移。这种相移可能导致错误的测量结果。为了最小化相位失真,保持路径长度不变。
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射频(或微波)信号有不同于直流或低频交流信号的开关考虑因素,包括插入损耗、串扰、传输延迟和无端接的短截线。因此,射频信号的开关配置旨在将信号损耗降至最低,并通过系统保持特性阻抗。本文将详细介绍下可用于微波信号路由的SPDT、级联、树或矩阵开关。

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