射频开关（RF Switch）基础解析：为射频工程师打下坚实基础
发布时间：2021-12-01 12:50:24
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
随着近期用于测试系统开发的射频开关产品的可用性迅速增加，对于选择适合您应用的产品变得越来越具有挑战性。大多数射频供应商使用两个主要规范来描述其射频开关产品：拓扑和带宽（例如NI PXI-2594 2.5 GHz 4x1 多路复用器）。
虽然这些规格在评估阶段确实非常重要，但它们并不能为买家提供足够的信息来做出明智的购买决策。本教程的目的是向您介绍设计射频开关网络时必须考虑的七个重要规范：特性阻抗、带宽、拓扑、插入损耗、回波损耗和电压驻波比（VSWR）、隔离和串扰以及上升时间。
在讨论特性阻抗和其他射频开关规格之前，首先要理解信号在直流电路与射频系统中传播方式之间的区别。在直流电路或较低频率的信号传输中，信号电压在电缆上的不同点之间几乎没有变化。然而，在射频或高频信号中，情况完全不同。由于信号的波长相对于电缆长度非常短，因此允许信号的多个周期同时通过电缆传播。
举个例子，假设有两个不同频率的信号以1米的同轴电缆传播。第一个信号频率为1 MHz，第二个信号频率为1 GHz。
对于信号1，同轴电缆的长度相对于信号波长非常小。因此，在这种情况下，电缆上不同点的信号电位变化可以忽略不计。
然而，对于信号2，同轴电缆的长度相对于信号波长要大得多（大约是5倍）。因此，在任何给定时间，信号的多个周期将同时通过电缆。由于波长很短，高频信号以波的形式传播，并在不同介质之间遭受反射和功率损耗（波动理论）。在电路中，当信号通过具有不同特性阻抗的系统组件时，也会发生介质的变化。因此，为了最大限度地减少反射和功率损耗，必须使用具有匹配阻抗的合适组件来构建射频系统。
特性阻抗是传输线参数，由线路的物理结构决定。它有助于确定传输线中信号的传输或反射方式。
插入损耗是指信号在传输线上引起的功率损耗。如果信号传输的传输线长度大于其自身波长的0.01，那么会出现显著的功率损耗。开关模块的“插入损耗”规格就是用来衡量这种功率损耗和信号衰减的。开关模块在特定频率下的插入损耗可以帮助计算在该频率下打开信号所引起的功率损耗或电压衰减。
在3 GHz时，2.5 GHz模块的插入损耗约为1.78 dB，而3 GHz开关的插入损耗接近5.64 dB。这表明在3 GHz应用中，2.5 GHz的NI开关模块比3 GHz的替代品更适合。
电压驻波比（VSWR）是反射波与透射波的比率。在高频率下，信号以波的形式通过传输线或电缆传输。当信号遇到特性阻抗不匹配的组件时，会发生反射。VSWR可用于测量反射波功率，并用于衡量传输线中的功率损耗。回波损耗是反射信号功率的量度，也是插入损耗的一个子集。回波损耗越高，插入损耗就越高。
对于提供的示例电路，负载阻抗为40.5Ω，不等于源和传输线的阻抗（50Ω）。因此，部分信号会从负载处反射回来。回波损耗可以通过公式进行测量。回波损耗是反射信号功率的量度，也是插入损耗的一部分。
通过以上说明，我们可以看出VSWR是驻波模式下最大电压与最小电压的比值。
带宽
在前面提到过，射频开关模块的带宽是其主要规格之一。然而，带宽仅能提供给定产品性能的近似值，因为不同供应商对建立射频开关的带宽规范有不同的方法。开关的带宽仅表示供应商认为可以通过该开关以可接受的损耗路由最大频率信号。但是，一个供应商认为可接受的带宽可能对另一个供应商来说是不可接受的。因此，例如供应商A的3 GHz开关与供应商B的3 GHz开关可能具有完全不同的性能指标。
让我们再次考虑一个示例，其中有两个拓扑和特性阻抗相似但带宽规格不同的模块，一个是NI PXI-2557 2.5 GHz的8x1多路复用器，具有75Ω的特性阻抗；另一个是来自替代PXI供应商的3 GHz的8x1多路复用器，同样具有75Ω的特性阻抗。虽然第二个模块看起来更适合路由2到3 GHz之间的信号，但插入损耗数据表明情况并非如此。这就是为什么NI模块的带宽规范比其对应模块更保守的原因。
许多人认为产品的带宽是其-3 dB带宽。这种观点对于数字化仪器等设备是准确的，因为设备的带宽规格实际上是仪器模拟前端的-3 dB点。然而，对于射频开关而言，带宽和-3 dB之间的关系并不总是成立。虽然有一些供应商将带宽定义为-3 dB，但其他供应商则不是如此。图表中给出了一个例子，展示了NI PXI-2547在其带宽（2.7 GHz）和-3 dB点（3.7 GHz）下的插入损耗。
拓扑
拓扑结构是选择射频开关时要考虑的最重要特性之一。选择具有错误拓扑结构的开关会对插入损耗和驻波比产生相当大的影响。射频开关的两个主要拓扑类型是多路复用器和单刀双掷（SPDT）继电器。多路复用器是一种切换系统，可以将多个输入依次路由到一个输出，反之亦然。SPDT继电器是多路复用器的简化版本，一个SPDT继电器可以将两个输入路由到一个输出，反之亦然。射频多路复用器通常由多个SPDT继电器组成。
不同的应用需要不同的射频开关拓扑组合。例如，如果要对4个测试设备（DUT）进行激励-响应测试，可以使用带有两个独立的4x1多路复用器组的模块。另一方面，如果要对八个独立DUT的输出进行分析测试，具有单个8x1多路复用器组的模块会更合适。由于市场上存在多种射频开关可供选择，因此了解这些不同拓扑的最佳用途以便为您的应用选择最佳选项非常重要。
在讨论构建7x1多路复用器的两种不同方法时，第一种方法是通过级联两个4x1多路复用器来构建单个7x1多路复用器。然而，这种设置存在缺点，即需要信号从被测设备（DUT）经过两个开关模块（总共四个SPDT继电器）才能到达矢量网络分析仪（VNA）。因此，信号路径中的净插入损耗现在是系统中每个单独继电器和电缆的插入损耗规格之和。
第二种方法则采用固有的8x1多路复用器（例如NI PXI-2547 50Ω 2.7 GHz 8x1多路复用器），将七个DUT路由到VNA。这种配置将改善系统的插入损耗，不仅因为它减少了信号路径中SPDT继电器的数量（只需三个而不是四个），还因为它消除了系统中的额外布线，例如模块之间的电缆。因此，使用第二种方法，信号到达VNA的质量很可能比使用第一种方法要好得多。
开关的隔离度定义为通过开路耦合的信号的幅度。串扰被定义为耦合在电路之间的信号幅度。
开关的隔离和串扰是评估电路性能的重要参数，它们可以反映信号通过开关时受到干扰的程度。
开关的隔离度是衡量电路在不同信号之间保持独立性能的关键指标。高隔离度的开关可以有效地减少信号之间的相互干扰，提高电路的可靠性。
开关的串扰则是指开关内部电路之间的信号干扰。这种干扰可能导致信号质量的下降，甚至可能影响整个电路的正常工作。
为了提高开关的性能，需要选择具有高隔离度和低串扰的开关。此外，开关的带宽也是一个重要的考虑因素。在选择开关时，必须确保其带宽能够满足应用的要求，以便能够准确地传输方波等复杂信号。
方波信号是一种具有多个频率分量的信号，因此，在选择开关时，需要考虑到开关对于方波信号的影响。为了获得准确的测量结果，开关的带宽必须足够高，以确保所有单个正弦波的衰减最小化。根据经验，对于方波信号，当到达第5次或第7次谐波时，上升时间的变化最小。因此，一般来说，如果开关的-3 dB点是方波基频的7倍，方波可以通过开关路由。
在某些情况下，供应商会指定开关的上升时间。如果是这种情况，需要检查以确保开关模块的上升时间规格小于需要以最小失真路由的最高谐波的上升时间。
为了确定特定开关是否可以成功路由信号，需要将开关的上升时间与谐波的上升时间进行比较。如果供应商没有提供此信息，可以通过计算谐波的-3 dB点并将其与开关的-3 dB点进行比较来确定。可以使用以下公式从上升时间计算-3 dB点：
F=-3 dB point = 1/(2π*tR)
其中tR是开关模块的上升时间。
在确定开关是否适合您的应用时，需要综合考虑其插入损耗、VSWR、隔离度和其他规格等因素。一些供应商提供扫描图来显示整个频率范围的这些规格，而其他供应商仅提供特定频率的规格。在这种情况下，最好联系供应商并获得更完整的规格以确定产品是否适合您的应用。
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