射頻和微波開關(guān)測試系統(tǒng)基礎(chǔ)

緒論

無線通信產(chǎn)業(yè)的巨大成長意味著對于無線設(shè)備的元器件和組件的測試迎來了大爆發(fā)，包括對組成通信系統(tǒng)的各種RF  IC 和微波單片集成電路的測試。這些測試通常需要很高的頻率，普遍都在GHz范圍。本文討論了射頻和微波開關(guān)測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，包括不同的開關(guān)種類，RF開關(guān)卡規(guī)格，和有助于測試工程師提高測試吞吐量并降低測試成本的RF開關(guān)設(shè)計中需要考慮的問題。

射頻開關(guān)和低頻開關(guān)的區(qū)別

將一個信號從一個頻點轉(zhuǎn)換到另一個頻點看起來挺容易的，但要達成極低的信號損耗該如何實現(xiàn)呢？設(shè)計低頻和直流（DC）信號的開關(guān)系統(tǒng)都需要考慮它們特有的參數(shù)，包括接觸電位、建立時間、偏置電流和隔離特性等。

高頻信號，與低頻信號類似，需要考慮其特有的參數(shù)，它們會影響開關(guān)過程中的信號性能，這些參數(shù)包括VSWR（電壓駐波比）、插入損耗、帶寬和通道隔離等等。另外，硬件因素，比如端接、連接器類型、繼電器類型，也會極大的影響這些參數(shù)。

開關(guān)種類和構(gòu)造

繼電器內(nèi)的容性是限制開關(guān)的信號頻率的常見因素。繼電器的材料和物理特性決定了其構(gòu)成的內(nèi)部電容。比如，
在超過40GHz的射頻和微波開關(guān)中，在機電繼電器中采用了特殊的接觸架構(gòu)來獲得更好的性能。圖1顯示了一個典型的構(gòu)造，共同端接位于兩個開關(guān)端接之間。所有信號的連接線路都是同軸線，來保證最佳的信號完整性（SI）。在這種情況下，連接器是SMA母頭。對于更加復雜的開關(guān)結(jié)構(gòu)，共同端接被各個開關(guān)端接以放射狀圍繞。

圖1 – 高頻機電繼電器

一系列復雜的開關(guān)拓撲在RF開關(guān)中得以采用。矩陣式開關(guān)可以實現(xiàn)每個輸入與每個輸出的連接。有兩種類型的矩陣在微波開關(guān)架構(gòu)中得以采用——blocking和non-blocking架構(gòu)。一個blocking矩陣可將任意一個輸入和任意一個輸出進行連接，因此其他的輸入和輸出就不能同時連接。這對只需在一個時刻切換到一個信號頻率的應(yīng)用是一個有效的低成本方案，信號完整性也更好，因為有更少的繼電器路徑，特別是避免了相位延遲的問題。而non-blocking矩陣允許多個路徑的同時連接，這種架構(gòu)具有更多的繼電器和線纜，因此靈活性更強，不過價格也更高。

圖2 –單通道blocking矩陣和non-blocking矩陣

層疊開關(guān)架構(gòu)是多位置開關(guān)的一種替代形式。它采用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出。路徑長度（同時決定了相位延遲）是由信號經(jīng)過的繼電器的數(shù)量決定的。

圖3 -  層疊開關(guān)架構(gòu)

樹形架構(gòu)是層疊開關(guān)架構(gòu)的一種替代。相比層疊架構(gòu)，對于同等規(guī)格的系統(tǒng)，樹形技術(shù)需要更多的繼電器，然而，選定的路經(jīng)和其他不用的路經(jīng)之間的隔離會更好，這樣降低了繼電器和通道之間的crosstalk。樹形架構(gòu)具備一些優(yōu)勢，包括無端接殘余（unterminated stubs），各個通道特性也會相似。然而，在選定路經(jīng)上具有多個繼電器意味著損耗會更大，信號完整性也令人堪憂。

圖4 – 多重開關(guān)（圖示為一個雙重開關(guān)）

RF開關(guān)卡架構(gòu)

在測試儀器主機上的RF開關(guān)卡應(yīng)用中，為保證信號完整性，需要理解許多電性能指標。

• Crosstalk是指不同通道上傳送的信號之間或通道上信號與輸出信號之間產(chǎn)生的電容耦合、電感耦合或電磁輻射。一般用特定負載阻抗和特定頻率下的分貝數(shù)來描述。
• 插入損耗是信號在開關(guān)卡或系統(tǒng)中傳輸時的衰減，用特定頻率范圍的分貝數(shù)來表示。當信號低或者噪聲大的時候，插入損耗是相當重要的技術(shù)指標。
• 電壓駐波比（VSWR）是對信號在傳送線路上反射的測量，定義為信號路經(jīng)上駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。
• 信號進行開關(guān)、傳輸或者放大處理的一個有限的頻率范圍被稱作帶寬。對于給定的負載條件，帶寬范圍用-3dB（半功率）點定義。
• 隔離是鄰近通道的電壓比例，定義為一個頻率范圍上的分貝數(shù)。

RF開關(guān)設(shè)計

要設(shè)計一個RF開關(guān)系統(tǒng)，需要額外考慮一系列關(guān)鍵因素。

阻抗匹配——假設(shè)開關(guān)置于測量儀器和DUT（待測設(shè)備）之間，對于幾個系統(tǒng)中的所有的阻抗必須匹配。對于最佳的信號傳輸，源的輸出阻抗應(yīng)等于開關(guān)的特征阻抗、線纜阻抗和DUT的阻抗。在RF測試中，普遍的阻抗級是50或75歐姆。不論要求什么樣的阻抗級，適當?shù)淖杩蛊ヅ鋵ＷC整個系統(tǒng)完整性。

輸入VSWR和信號路經(jīng)VSWR決定了測量的精確程度。
Mismatch Uncertainty(dB) = 20 x log(1 +/- Γsig path * Γinst)
Where Γ = VSWR-1/VSWR +1

如果信號路經(jīng)輸出和儀器輸入具有很好的VSWR，比如1.3：1，失配不確定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。

終止——在高頻率情況下，所有信號必須被適當終止，否則電磁波會在端接點上被反射，導致VSWR的增加。一個沒有終接的開關(guān)在斷開狀態(tài)會增加VSWR，一個開關(guān)一般需要提供50歐姆的端接電阻來匹配連通或斷開狀態(tài)。VSWR增加后，如果反射部分足夠大，甚至有可能損壞源端。

功率傳輸——另一個重要的考慮是系統(tǒng)從儀器至DUT傳送RF功率的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。一些應(yīng)用場合，又可能需要減少信號至DUT上的功率。使用放大器或衰減器可保證將精確的信號功率值傳送至開關(guān)系統(tǒng)。

信號濾波器——信號濾波器在一些情況下是很有用的，比如噪聲不小心加入到通過開關(guān)傳送的信號中的時候。如果原始信號頻率不適合DUT測試頻率，濾波器也很有用。在這種情況下，濾波器可被加到開關(guān)中以改變信號帶寬或者濾除不需要的信號頻率。

相位失真——隨著測試系統(tǒng)尺寸的擴大，從相同的信號源出來的信號可能會通過不同的途徑傳送至DUT，導致了相位失真。這個指標通常被稱之為傳輸延遲。對一個給定的傳導介質(zhì)，延遲是與信號路徑長度成正比的。不同的信號路徑長度將會導致信號相位移動，導致錯誤的測量結(jié)果。要減少相位失真，要保證信號路經(jīng)長度的相同。

總結(jié)

討論并理解RF/微波開關(guān)系統(tǒng)購建中的各種設(shè)計參數(shù)有利于保證信號和系統(tǒng)的完整性。