RF/微波開關(guān)選型基礎(chǔ)知識(shí)

我們知道開關(guān)的種類有很多，而RF微波開關(guān)最突出的特點(diǎn)就是做高頻信號(hào)的傳輸路徑切換，以滿足測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)傳輸要求。

從工作原理上進(jìn)行分類，RF微波開關(guān)可以分為機(jī)電開關(guān)和固態(tài)開關(guān)，機(jī)電開關(guān)包括電磁繼電器和舌簧繼電器。機(jī)電開關(guān)是依靠機(jī)械接觸作為其機(jī)械結(jié)構(gòu)，而固態(tài)開關(guān)稱為無觸點(diǎn)開關(guān)，一般由電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

PickeringInterfaces開關(guān)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類，可以分為SPDT、多路復(fù)用、轉(zhuǎn)換開關(guān)、矩陣開關(guān)等。

從其結(jié)構(gòu)功能上進(jìn)行分類，則包含帶端接和無端接開關(guān)。自動(dòng)端接在開關(guān)打開狀態(tài)下會(huì)有匹配阻抗的電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行吸收，避免反射（一般有端接的位置是信號(hào)輸入的方向）。

RF微波開關(guān)的主要規(guī)格有：頻率范圍、承載功率、插入損耗（Insertion Loss）、隔離度（Isolation）、VSWR、串?dāng)_（Crosstalk）、重復(fù)率和使用壽命。

• 頻率范圍：高至65GHz的頻率范圍，范圍廣，種類多。
• 最大功率：Pickering開關(guān)板卡中涉及的最大功率指的是其承載功率，定義為開關(guān)承載功率的能力，它與設(shè)計(jì)以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(zhǎng)的壽命。
• 插入損耗：信號(hào)在開關(guān)板卡或系統(tǒng)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)重要的指標(biāo)。
• 隔離度：理想開關(guān)在“斷”態(tài)傳遞到負(fù)載（RL）上的功率與理想開關(guān)在“通”態(tài)傳遞到負(fù)載上的功率之比，也可以簡(jiǎn)單理解為鄰近通道的電壓比，定義為一個(gè)頻率范圍上的分貝數(shù)。
• VSWR：是對(duì)信號(hào)在傳輸線路上反射的測(cè)量，定義為信號(hào)路徑上駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。電壓駐波比越大，反射功率越高，傳輸效率越低。
• 串?dāng)_：指不同通道上傳輸?shù)男盘?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、電感耦合或者電磁輻射。一般用特定負(fù)載阻抗和特定頻率下的分貝數(shù)來描述。
• 重復(fù)率：是指開關(guān)的技術(shù)指標(biāo)經(jīng)長(zhǎng)期反復(fù)使用之后變化的度量。開關(guān)作為系統(tǒng)部件使用時(shí)，其重復(fù)率對(duì)系統(tǒng)總測(cè)量精度至關(guān)重要?？啥x開關(guān)板卡任何指標(biāo)的重復(fù)率，包括插入損耗、反射、隔離和相位。
• 使用壽命：開關(guān)使用壽命規(guī)定為使用次數(shù)，即開關(guān)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置，再返回原位置的次數(shù)。長(zhǎng)的使用壽命減少了定期維護(hù)、停機(jī)時(shí)間和修理，從而降低了用戶的使用成本。

PickeringInterfaces設(shè)計(jì)和制造用于電子測(cè)試和仿真的模塊化信號(hào)切換和仿真，其結(jié)構(gòu)上主要包含SPDT、多路復(fù)用、旁路開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)和矩陣開關(guān)等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)功能，又具有端接和無端接之分。自動(dòng)端接在開關(guān)打開狀態(tài)下會(huì)有匹配阻抗的電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行吸收，避免反射（一般有端接的位置是信號(hào)輸入的方向）。

1. SPDT開關(guān)

單刀雙擲開關(guān)主要是從一個(gè)信號(hào)輸入路由至兩個(gè)信號(hào)輸出，如圖1所示（4×SPDT）。其主要是可以控制電源向兩個(gè)不同的方向輸出，也就是說可以用來控制兩臺(tái)設(shè)備，或者說可以控制同一臺(tái)設(shè)備轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)方向使用。

圖1 SPDT開關(guān)結(jié)構(gòu)（上圖為不帶端接結(jié)構(gòu)，下圖為帶端接結(jié)構(gòu)）

2. 多路復(fù)用開關(guān)（MUX）

一個(gè)輸入端口連接至多個(gè)輸出端口（三個(gè)甚至更多輸出端口）。MUX兩個(gè)最基本的解決方案是基于樹形結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)MUX中，公共端連接用作輸入（或者如果MUX用于解復(fù)用，則作為輸出），并且通過繼電器連接到不同的路徑。所有基于MUX的繼電器可以作為解復(fù)用—將一個(gè)許多信號(hào)連接到單個(gè)測(cè)試端口，而不是將單個(gè)信號(hào)連接到許多測(cè)試端口中的某一個(gè)。

而樹形MUX使用SPDT繼電器將公共端與輸出（輸入）連接在一起。使用樹形結(jié)構(gòu)切換信號(hào)以擴(kuò)展支持輸出連接的數(shù)量。由于繼電器用于選擇兩個(gè)路徑中的某一個(gè)閉合，MUX僅允許選擇一個(gè)總路徑，并且不可能無意的將輸出連接連接在一起。該路徑使用多個(gè)串聯(lián)的繼電器，因此直通路徑中的DC電阻高于常規(guī)MUX中的DC電阻。MUX中繼電器的數(shù)量需要高于常規(guī)MUX中的繼電器數(shù)量。除非增加了附加的繼電器，樹形MUX總是在公共端和輸出之間有默認(rèn)路徑。

樹形MUX通常用于RF矩陣的一部分，第二種用途是電力系統(tǒng)中，即使在繼電器焊接的情況下，輸入僅連接到一個(gè)輸出。由于MUX由轉(zhuǎn)換開關(guān)創(chuàng)建，焊接繼電器固有的防止附加路徑被連接。

圖2 傳統(tǒng)MUX結(jié)構(gòu)

圖3 樹形MUX結(jié)構(gòu)

3. 轉(zhuǎn)換開關(guān)

轉(zhuǎn)換開關(guān)可作為瞬斷開關(guān)在兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出間切換。轉(zhuǎn)換開關(guān)通常僅在微波切換系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，它們是具有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的四個(gè)終端設(shè)備，其中一個(gè)輸入可以連接到任意一個(gè)輸出，然后第二個(gè)輸入連接到其他輸出。當(dāng)在微波繼電器中實(shí)現(xiàn)時(shí)，可是沒有連接的默認(rèn)“全開”位置。（典型的轉(zhuǎn)換開關(guān)型號(hào)為40-782A）

圖4 轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)

4. 矩陣開關(guān)

矩陣開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)輸入和每個(gè)輸出連接，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)輸入和輸出進(jìn)行連接，因此其他輸入和輸出就不能同時(shí)連接。這對(duì)只需要在一個(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)完整性也很好，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矩陣是阻塞矩陣的一個(gè)變體，這種矩陣包含一組復(fù)雜的功率分配器/組合器，允許多個(gè)路徑同時(shí)連接，這種架構(gòu)具有更多的繼電器和線纜，因此，靈活性更高，價(jià)格也更高，如圖5所示（blocking和non-blocking架構(gòu)4×4矩陣）。

圖5-1 4×4端接矩陣（non-blocking矩陣結(jié)構(gòu)）

圖5-2.2 blocking矩陣結(jié)構(gòu)

總結(jié)

理解并掌握RF/微波系統(tǒng)構(gòu)建中的各個(gè)開關(guān)板卡的規(guī)格參數(shù)和結(jié)構(gòu)特性，有利于保證信號(hào)和系統(tǒng)的完整性。減小信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生不必要的損耗和相位失真，提升信號(hào)質(zhì)量。