射頻和微波開關(guān)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)

緒論

無線通信產(chǎn)業(yè)的巨大成長(zhǎng)意味著對(duì)于無線設(shè)備的元器件和組件的測(cè)試迎來了大爆發(fā)，包括對(duì)組成通信系統(tǒng)的各種RF  IC 和微波單片集成電路的測(cè)試。這些測(cè)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(cè)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(cè)試工程師提高測(cè)試吞吐量并降低測(cè)試成本的RF開關(guān)設(shè)計(jì)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(gè)信號(hào)從一個(gè)頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻點(diǎn)看起來挺容易的，但要達(dá)成極低的信號(hào)損耗該如何實(shí)現(xiàn)呢？設(shè)計(jì)低頻和直流（DC）信號(hào)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(shí)間、偏置電流和隔離特性等。

高頻信號(hào)，與低頻信號(hào)類似，需要考慮其特有的參數(shù)，它們會(huì)影響開關(guān)過程中的信號(hào)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(huì)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(hào)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(jī)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(gè)典型的構(gòu)造，共同端接位于兩個(gè)開關(guān)端接之間。所有信號(hào)的連接線路都是同軸線，來保證最佳的信號(hào)完整性（SI）。在這種情況下，連接器是SMA母頭。對(duì)于更加復(fù)雜的開關(guān)結(jié)構(gòu)，共同端接被各個(gè)開關(guān)端接以放射狀圍繞。


圖1 – 高頻機(jī)電繼電器

一系列復(fù)雜的開關(guān)拓?fù)湓赗F開關(guān)中得以采用。矩陣式開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)輸入與每個(gè)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(gè)blocking矩陣可將任意一個(gè)輸入和任意一個(gè)輸出進(jìn)行連接，因此其他的輸入和輸出就不能同時(shí)連接。這對(duì)只需在一個(gè)時(shí)刻切換到一個(gè)信號(hào)頻率的應(yīng)用是一個(gè)有效的低成本方案，信號(hào)完整性也更好，因?yàn)橛懈俚睦^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(gè)路徑的同時(shí)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(qiáng)，不過價(jià)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(gè)繼電器將一個(gè)輸入連接到多個(gè)輸出。路徑長(zhǎng)度（同時(shí)決定了相位延遲）是由信號(hào)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(duì)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(huì)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(shì)，包括無端接殘余（unterminated stubs），各個(gè)通道特性也會(huì)相似。然而，在選定路經(jīng)上具有多個(gè)繼電器意味著損耗會(huì)更大，信號(hào)完整性也令人堪憂。


圖4 – 多重開關(guān)（圖示為一個(gè)雙重開關(guān)）

RF開關(guān)卡架構(gòu)

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

• Crosstalk是指不同通道上傳送的信號(hào)之間或通道上信號(hào)與輸出信號(hào)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(fù)載阻抗和特定頻率下的分貝數(shù)來描述。
• 插入損耗是信號(hào)在開關(guān)卡或系統(tǒng)中傳輸時(shí)的衰減，用特定頻率范圍的分貝數(shù)來表示。當(dāng)信號(hào)低或者噪聲大的時(shí)候，插入損耗是相當(dāng)重要的技術(shù)指標(biāo)。
• 電壓駐波比（VSWR）是對(duì)信號(hào)在傳送線路上反射的測(cè)量，定義為信號(hào)路經(jīng)上駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。
• 信號(hào)進(jìn)行開關(guān)、傳輸或者放大處理的一個(gè)有限的頻率范圍被稱作帶寬。對(duì)于給定的負(fù)載條件，帶寬范圍用-3dB（半功率）點(diǎn)定義。
• 隔離是鄰近通道的電壓比例，定義為一個(gè)頻率范圍上的分貝數(shù)。

RF開關(guān)設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)一個(gè)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(cè)量?jī)x器和DUT（待測(cè)設(shè)備）之間，對(duì)于幾個(gè)系統(tǒng)中的所有的阻抗必須匹配。對(duì)于最佳的信號(hào)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(cè)試中，普遍的阻抗級(jí)是50或75歐姆。不論要求什么樣的阻抗級(jí)，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵?huì)保證整個(gè)系統(tǒng)完整性。

輸入VSWR和信號(hào)路經(jīng)VSWR決定了測(cè)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(hào)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(hào)必須被適當(dāng)終止，否則電磁波會(huì)在端接點(diǎn)上被反射，導(dǎo)致VSWR的增加。一個(gè)沒有終接的開關(guān)在斷開狀態(tài)會(huì)增加VSWR，一個(gè)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(gè)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(hào)可能需要放大。一些應(yīng)用場(chǎng)合，又可能需要減少信號(hào)至DUT上的功率。使用放大器或衰減器可保證將精確的信號(hào)功率值傳送至開關(guān)系統(tǒng)。

信號(hào)濾波器——信號(hào)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(hào)中的時(shí)候。如果原始信號(hào)頻率不適合DUT測(cè)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(hào)帶寬或者濾除不需要的信號(hào)頻率。

相位失真——隨著測(cè)試系統(tǒng)尺寸的擴(kuò)大，從相同的信號(hào)源出來的信號(hào)可能會(huì)通過不同的途徑傳送至DUT，導(dǎo)致了相位失真。這個(gè)指標(biāo)通常被稱之為傳輸延遲。對(duì)一個(gè)給定的傳導(dǎo)介質(zhì)，延遲是與信號(hào)路徑長(zhǎng)度成正比的。不同的信號(hào)路徑長(zhǎng)度將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位移動(dòng)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。要減少相位失真，要保證信號(hào)路經(jīng)長(zhǎng)度的相同。

總結(jié)

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