在射頻自動(dòng)測試系統(tǒng)中該如何選用開關(guān)？

在微波測試系統(tǒng)中，射頻和微波開關(guān)大量用于儀器和被測器件(DUT) 間的信號(hào)路由。把開關(guān)置入開關(guān)矩陣系統(tǒng)，就可把來自多臺(tái)儀器的信號(hào)路由至一個(gè)或多個(gè)DUT。這樣就能夠用一套測試裝置完成多種測試，而不需要頻繁地?cái)嚅_和重新連接。并能實(shí)現(xiàn)測試過程的自動(dòng)化，從而提高批量生產(chǎn)環(huán)境下的測試效率。

開關(guān)元件的關(guān)鍵性能指標(biāo)

今天的高速制造要求在測試儀器和開關(guān)接口及自動(dòng)測試系統(tǒng)中使用高性能和可重復(fù)的開關(guān)元件。這些開關(guān)通常按如下特性定義:

頻率范圍

射頻和微波應(yīng)用的頻率范圍從半導(dǎo)體的100 MHz 直至衛(wèi)星通信的60 GHz。工作頻帶很寬的測試附件因擴(kuò)展頻率覆蓋而增加了測試系統(tǒng)的靈活性。但寬工作頻率有可能影響到其它重要參數(shù)。

插入損耗

插入損耗對于測試也是至關(guān)重要的。大于1 dB 或2 dB 的損耗會(huì)衰減信號(hào)的峰值電平，增加上升沿和下降沿的時(shí)間。在高頻應(yīng)用環(huán)境，對能量進(jìn)行有效的傳輸有時(shí)需要付出比較高的代價(jià)，所以機(jī)電開關(guān)在轉(zhuǎn)換路徑上引入的額外損耗應(yīng)該盡可能地的最低。

回波損耗

回波損耗以dB 表示，它是電壓駐波比(VSWR) 的量度。回波損耗由電路間的阻抗不匹配造成。在微波頻率范圍，材料特性和網(wǎng)絡(luò)元件的尺寸在確定分布效應(yīng)造成的阻抗匹配或失配上起重要作用。

性能的一致性

低插入損耗性能的一致性可減小測量路徑中的隨機(jī)誤差源，從而改進(jìn)測量精度，開關(guān)性能的一致性和可靠性保證了測量精度，并因延長校準(zhǔn)周期和增加測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間而降低擁有成本。

隔離度

隔離度是在所關(guān)注的端口處檢測到對無用信號(hào)的衰減程度。在高頻時(shí)，隔離度變得尤為重要。

VSWR

開關(guān)的VSWR 由機(jī)械尺寸和制造公差確定。差的VSWR 表明存在由阻抗不匹配造成的內(nèi)部反射，這些反射造成的寄生信號(hào)會(huì)導(dǎo)致符號(hào)間干擾(ISI)。這些反射通常在靠近連接器處產(chǎn)生，因此好的連接器匹配和正確的 負(fù)載連接是關(guān)鍵性的測試要求。

開關(guān)速度

開關(guān)速度定義為開關(guān)端口(開關(guān)臂) 狀態(tài)從“通”到“斷”，或從 “斷”到“通”所需要的時(shí)間。

穩(wěn)定時(shí)間

由于開關(guān)時(shí)間只是規(guī)定達(dá)到射頻信號(hào)穩(wěn)定值/最終值的90% 的值，因此在準(zhǔn)確度和精密度的要求下，穩(wěn)定時(shí)間成為固態(tài)開關(guān)更重要的性能。Keysight的GaAs FET 開關(guān)采用專利設(shè)計(jì)，它能極大減弱柵極滯后效應(yīng)，從而把穩(wěn)定時(shí)間減小至不到350 μs。

承載功率

承載功率定義為開關(guān)承載功率的能力，它與設(shè)計(jì)及使用的材料密切相關(guān)。當(dāng)切換時(shí)在開關(guān)端口上存在射頻∕微波功率時(shí)，即產(chǎn)生熱切換。在切換前已移除信號(hào)功率時(shí)，即產(chǎn)生冷切換。冷切換獲得較低的接觸面應(yīng)力和較長的壽命。

負(fù)載

在許多應(yīng)用中，50Ω的負(fù)載端接是非常重要的。在開關(guān)接到一個(gè)有源器件時(shí)，沒有負(fù)載端接的路徑的反射功率可能會(huì)損壞源。機(jī)電開關(guān)可分成有負(fù)載端接的和沒有負(fù)載端接的兩類。固態(tài)開關(guān)可分成吸收式和反射式兩類。

等長路徑

有些應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)幅度匹配和相位匹配要求等長的路徑。在差分信號(hào)系統(tǒng)或相位匹配至關(guān)重要的系統(tǒng)中，推薦采用同樣長度的相位匹配路徑。

視頻泄漏

可把視頻泄漏看成是當(dāng)不存在射頻信號(hào)時(shí)，開關(guān)射頻端口上出現(xiàn)的寄生信號(hào)。這些信號(hào)來自開關(guān)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的波形，特別是來自于驅(qū)動(dòng)PIN 二極管高速開關(guān)所需要的前沿電壓尖峰。

使用壽命

長的使用壽命將降低每次開關(guān)的成本和預(yù)算制約，使制造商在今天價(jià)格敏感市場上更富競爭力。

開關(guān)的結(jié)構(gòu)

開關(guān)的不同結(jié)構(gòu)形式為各種應(yīng)用和頻率提供建造復(fù)雜矩陣和自動(dòng)測試系統(tǒng)的靈活性。下面是典型的開關(guān)結(jié)構(gòu)

• 單刀雙擲(SPDT) 開關(guān)把信號(hào)從一個(gè)輸入路由至兩個(gè)輸出路徑。

• 多端口開關(guān)允許把一個(gè)輸入接到多個(gè)(三個(gè)或更多) 輸出路徑。Keysight 提供單刀三擲(SP3T)，單刀四擲(SP4T)，單刀五擲(SP5T) 和單刀六擲(SP6T) 多端口開關(guān)。

• 轉(zhuǎn)換開關(guān)(DPDT) 可作為瞬斷開關(guān)在兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出間切換。

• 矩陣開關(guān)可通過內(nèi)部微波開關(guān)單端連接而構(gòu)成射頻通路。 可經(jīng)配置用于1*5, 2*4 或3*3 開關(guān)應(yīng)用。

• 旁路開關(guān)可從信號(hào)路徑中插入或去除測試元件。

Keysight 同軸機(jī)電開關(guān)特性

長使用壽命 — 插入損耗的一致性保證在0.03 dB 以內(nèi)。

Keysight EM 同軸開關(guān)以精心設(shè)計(jì)的工藝流程生產(chǎn)，并有嚴(yán)格的質(zhì)量保證。L 系列的設(shè)計(jì)保證其在使用了2 百萬次之后仍能達(dá)到插入損耗一致性指標(biāo)的要求，一般情況下L系列開關(guān)可使用5 百萬次。高性能開關(guān)系列更保證在使用5 百萬次之后仍達(dá)到插入損耗一致性指標(biāo)的要求，一般情況下高性能開關(guān)可以使用一千萬次。Keysight 機(jī)電開關(guān)保證在二百萬次或五百萬次使用壽命期間達(dá)到0.03 dB 的插入損耗一致性。

獨(dú)特的設(shè)計(jì)-擦拭動(dòng)作機(jī)制避免碎屑的聚集，以保證可靠地切換。

Keysight EM 開關(guān)采用了許多獨(dú)特的技術(shù)，包括每次開關(guān)之后清潔中心導(dǎo)體觸點(diǎn)的擦拭機(jī)制，從而避免一般EM 開關(guān)設(shè)計(jì)中常遇的碎屑聚集問題，如圖1。

圖1：清潔中心導(dǎo)體觸點(diǎn)的擦拭機(jī)制

機(jī)電開關(guān)的典型應(yīng)用

機(jī)電開關(guān)多用于開關(guān)矩陣系統(tǒng)，用來測試通信設(shè)備中的器件，低插入損耗對這種測試應(yīng)用是至關(guān)重要的，并且還要能承受較高的功率。機(jī)電開關(guān)廣泛用于對基本信號(hào)進(jìn)行路由和針對具體的應(yīng)用組成開關(guān)矩陣，例樹形矩陣或全通路矩陣。它們也可用于在測量系統(tǒng)或在多源∕多器件開關(guān)系統(tǒng)中對有源器件進(jìn)行旁路。

機(jī)電開關(guān)應(yīng)用

• 天線測試

• 收發(fā)器模塊測試

• 低噪聲放大器(LNA) 測試

• 接收器模塊測試

應(yīng)用要求

• 0.03 dB 插入損耗的一致性

• 承受50 W 峰值的功率

• 有負(fù)載

• 長使用壽命

推薦開關(guān)

• SPDT: N1810TL

• SP4T: 87104A/B, L7104A/B

應(yīng)用實(shí)例1——多端口器件的2 端口測量

下圖2顯示對多端口器件作2 端口測量的測試設(shè)置;對于一個(gè)完整的測試環(huán)境的設(shè)置可能還需額外的EM 開關(guān)。綠色線表示的是把小功率信號(hào)施加給DUT 進(jìn)行S 參數(shù)測量，藍(lán)色線是把大功率信號(hào)施加給DUT 進(jìn)行諧波失真測量。您可通過改變EM 開關(guān)的端口來選擇要進(jìn)行的測量。

圖2：這種配置方式能讓測試設(shè)備在大功率和小功率測量間之間進(jìn)行切換

應(yīng)用實(shí)例2——用于信號(hào)路由的靈活配置

Keysight EM 開關(guān)可在各種應(yīng)用中提高系統(tǒng)靈活性和簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一種最通常的應(yīng)用是在開關(guān)矩陣自動(dòng)測試系統(tǒng)中用開關(guān)把多個(gè)輸入信號(hào)路由至多個(gè)輸出。下面是一些可能配置的例子。為滿足您的需要，您也可隨意地配置Keysight 開關(guān)。

圖3：開關(guān)矩陣用高性能多端口開關(guān)把多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)路由到多個(gè)輸出信號(hào)

圖4：1X16全交叉開關(guān)矩陣

圖5：6X6“公共高速公路”

Keysight 固態(tài)開關(guān)特性

快開關(guān)速度

• 350 μs (典型值)

高隔離度

• 在8 GHz 工作頻率處大于100 dB

低視頻泄漏

• 防止損壞敏感元件

寬頻率范圍

• 從kHz 至8 GHz, 18 GHz或50 GHz

• 低頻測量

超長的使用壽命

固態(tài)開關(guān)非?？煽?，由于能耐受沖擊、振動(dòng)和機(jī)械磨損，因此工作壽命也比機(jī)電開關(guān)長。固態(tài)開關(guān)也有更快的開關(guān)時(shí)間。但因其固有的較高導(dǎo)通電阻，所以插入損耗要高于機(jī)電開關(guān)。有鑒于此，對于快開關(guān)速度和長壽命為關(guān)鍵要求的系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先選擇固態(tài)開關(guān)。在測試半導(dǎo)體器件時(shí)，開關(guān)矩陣系統(tǒng)中通常會(huì)使用固態(tài)開關(guān)，因?yàn)榇祟悳y試要求高的開關(guān)速度，而對承載功率要求并不高。

有三種類型的固體開關(guān)

• PIN 二極管開關(guān)

• 場效應(yīng)管(FET) 開關(guān)

• 混合開關(guān)(FET 和PIN 二極管)

應(yīng)用

• RFIC 元件測試

• 手機(jī)功率放大器測試

• SAW 濾波器測試

固態(tài)開關(guān)典型應(yīng)用

固態(tài)開關(guān)廣泛用于基本信號(hào)路由，以及特定的開關(guān)矩陣應(yīng)用，如樹矩陣或全通路矩陣。以及ATE 系統(tǒng)中的多源/多DUT 開關(guān)。

應(yīng)用要求

• 高隔離度

• 快開關(guān)速度

推薦開關(guān)

• P9400A/C, U9400A

應(yīng)用實(shí)例1——多儀器、多DUT 測試的信號(hào)路由

圖6：用兩套不同測試裝置同時(shí)測試2 個(gè)DUT

圖7：用兩套不同測試裝置同時(shí)測試2 個(gè)DUT相關(guān)要求

應(yīng)用實(shí)例2——手機(jī)功率放大器測試

圖8：GSM/EDGE 手機(jī)功率放大器的簡化測試裝置

應(yīng)用要求

• 快穩(wěn)定時(shí)間

• 低視頻泄漏

推薦開關(guān)

• P9397A/C

應(yīng)用實(shí)例3——濾波器組: SAW 濾波器測試

圖9：濾波器組測試的典型測試裝置

應(yīng)用要求

• 快開關(guān)速度

• 快穩(wěn)定時(shí)間

• 低插入損耗

• 兼容邏輯

推薦開關(guān)

• P9404A/C

應(yīng)用實(shí)例4——測試帶ALC 裝置的衛(wèi)星通道放大器

圖10：衛(wèi)星應(yīng)用中自動(dòng)電平控制(ALC) 系統(tǒng)通道放大器

應(yīng)用要求

• 低視頻泄漏

• 快開關(guān)速度

推薦開關(guān)

• U9397A/C, U9400A/C

應(yīng)用實(shí)例5——基站和衛(wèi)星通信天線測試

圖11：多通道, 多頻率系統(tǒng)的典型配置

應(yīng)用要求

• 高隔離度

• 快開關(guān)速度

• 快穩(wěn)定時(shí)間

• 阻抗匹配

推薦開關(guān)

• P9402A/C, P9404A/C