射頻開關(guān)設(shè)計和選擇合適的開關(guān)

射頻開關(guān)設(shè)計和選擇合適的開關(guān)

本文旨在介紹射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的一些基本參數(shù)，例如插損、駐波、特征阻抗，和上升時間等；此外，射頻開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，包括如何根據(jù)應(yīng)用選擇正確的拓撲結(jié)構(gòu)。提高其利用性能等；最后，關(guān)于部分開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，例如線纜、連接器。

一、開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

↑

許多的射頻開關(guān)廠商用兩個主要的參數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)和帶寬來描述它們的產(chǎn)品。雖然這些規(guī)格在評估階段的確是很重要的，但是它們不能為買方提供足夠的信息來支撐決策。首先就看一下購買開關(guān)網(wǎng)絡(luò)必不可少的一些參數(shù)：

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特征阻抗

特征阻抗是傳輸線的參數(shù)，它由傳輸線的物理結(jié)構(gòu)決定，當(dāng)然，信號在傳輸線上如何傳輸或反射也有一定的影響。射頻器件的阻抗不是DC阻抗，在傳輸線理論中（圖：傳輸線的特征阻抗），可以使用下面的公式進行計算：

Z0表示特征阻抗，L表示電流通過導(dǎo)線時在導(dǎo)線周圍形成的磁場引起的RF傳輸線的每單位長度的電感，C表示射頻傳輸線單位長度的電容（也是存在于兩個導(dǎo)體之間的電容），R表示射頻傳輸線的每一單位DC阻抗，G表示單位長度的介質(zhì)電導(dǎo)，ω表示頻率（radians/s）。

理想的電纜沒有阻抗或電介質(zhì)泄露，它的特征阻抗可以通過右式計算：

50Ω的射頻系統(tǒng)構(gòu)成了射頻市場的大部分，包括大多數(shù)通信系統(tǒng)。75Ω的射頻系統(tǒng)數(shù)量較少，主要應(yīng)用在廣電等視訊射頻系統(tǒng)。總之，工程師應(yīng)該首先確保測試系統(tǒng)中部件和電纜連接器等是阻抗匹配的。

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插損

如果傳播通過的傳輸線的長度大于其自身波長的1%，則在信號中會出現(xiàn)顯著的功率損耗。開關(guān)模塊的插損是測量功率損失和信號衰減。特定頻率下開關(guān)的插損可以使用在該頻率開關(guān)所引起的功率損失（1式）/電壓衰減（2式）來表示：

我們可以把開關(guān)或繼電器看成一個低通濾波器。生活中的每個開關(guān)都有一特定的電容，電感，電阻和電導(dǎo)，這些寄生元件組合以衰減和降低開關(guān)路由的信號。這些組件引起的功率損耗和電壓衰減隨輸入信號的頻率而變化，并且可以通過開關(guān)模塊在該頻率處的插入損耗規(guī)格進行量化。（插損大小對開關(guān)路由信號的影響如下圖所示，案例略）

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電壓駐波比（駐波比）

就像聲波、光波等，當(dāng)信號在不同介質(zhì)之間（例如不匹配阻抗的器件）傳播會發(fā)生反射。在一個開關(guān)模塊中，這種不匹配可能是連接器和PCB跡線之間的特征阻抗，以及實際的繼電器本身……

由于駐波比測量反射波的功率，它常常也用來衡量傳輸線的功率損耗。根據(jù)其自身相位，輸入信號可能會與反射波相加減。這取決于反射波相對于輸入信號是同相還是反相，同相時取到最大值，反相時取到最小值。下面通過一個例子來說明該指標(biāo)：

在上圖所示（1Vpp正弦波引起的衰減比較）的電路中，負載阻抗為（40.5Ω）不等于信號源和傳輸線的阻抗（50Ω）。因此，通過傳輸線傳輸?shù)牟糠中盘枙呢撦d端反射回來。我們可以根據(jù)下列公式測量反射：

最終簡化計算結(jié)果就是：

(1+0.1)/(1-0.1)=1.22

為了更形象的理解這個例子，如下圖所示，在射頻系統(tǒng)中，信號源發(fā)生1Vpp的正弦波信號。由于系統(tǒng)的反射系數(shù)為0.1，我們可以大致知道反射的幅度值，大致為0.1×1=0.1V或者說100mV。下圖展示了當(dāng)反射波分別于輸入信號同相和反相時合成信號的最大和最小幅度。同理，通過下圖最大及最小電壓駐波亦可求得駐波比。

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帶寬

帶寬也是開關(guān)模塊的一個非常重要的參數(shù)。然而，帶寬能提供的是非常近似的性能，而且射頻開關(guān)在開關(guān)的帶寬規(guī)范上各供應(yīng)商之間較不同。開關(guān)的帶寬簡單的表示在可接受的損耗條件下該開關(guān)可以比較可信地路由信號的最大頻率。

產(chǎn)品的帶寬通常也就是指其中頻帶寬（-3dB帶寬）。這種觀點對于諸如數(shù)字轉(zhuǎn)換器之類的儀器是精確的，其中設(shè)備的單款規(guī)格實際上是儀器的模擬前端的-3dB點。然而對于開關(guān)，有時帶寬選擇-3dB帶寬并不準(zhǔn)確。（廠商的帶寬標(biāo)定是否是按-3dB標(biāo)定，對其價格和性能會有較大影響。）

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隔離和串?dāng)_

↑

隔離定義的是通過開路耦合到的信號，串?dāng)_定義的是線路之間例如射頻模塊上不同部分的復(fù)用器之間。

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上升時間

如果信號是純正弦波，開關(guān)模塊的帶寬/插損參數(shù)就足夠決定該產(chǎn)品是否適合應(yīng)用。然而，對于有多個頻率分量的信號，例如方波，就不是那么簡單，因為保持這樣的信號的完整性取決于開關(guān)對信號上升的時間。

展示了方波的五次諧波測量。假設(shè)方波的最高次諧波需要通過開關(guān)路由。什么樣的開關(guān)能夠成功的路由這樣的信號？我們需要比較開關(guān)的上升時間和諧波的上升時間。如果遇到廠商并沒有提供上升時間，我們需要計算諧波的-3dB點，并且需要測量開關(guān)的-3dB點。通過下述公式進行（對于上圖所示的信號，我們計算達到-3dB的頻率為6.36Hz(上升時間僅為0.055s)。因此出入損耗在6.36Hz或更高時小于3dB的開關(guān)將足以路由該方波。）：

其中τR就代表開關(guān)模塊的上升時間。

二、射頻開關(guān)拓撲

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兩種主要的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)

射頻開關(guān)有兩種主要的拓撲結(jié)構(gòu)：多路復(fù)用器和通用繼電器。通過這兩種拓撲結(jié)構(gòu)就能構(gòu)建出大量復(fù)雜的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

通用繼電器模塊通常由C型（SPDT）繼電器組成，通常用于在兩個位置之間路由信號。例如，一個信號需要用射頻分析儀進行分析，并且接下來通過發(fā)送天線以廣播的形式發(fā)出。這種情況通常選用一個單刀雙擲繼電器實現(xiàn)。

多路復(fù)用器是一種路由多端輸入到單輸出或相反的設(shè)備。多路復(fù)用器通常用于增加復(fù)雜、昂貴的儀器（如分析儀、發(fā)生器等等）通道數(shù)的理想選擇。

假設(shè)對設(shè)備進行100為一批次的測試，對此有以下方案？

A．使用RF分析儀用于每個設(shè)備獨立測試，這將需要100個RF分析儀。（費錢）

B．手動將1批次/100個設(shè)備每次一個連接到單個RF分析儀。（費時）

C．通過多路復(fù)用的形式采用100×1的復(fù)用器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，自動路由100個手機到RF分析儀進行測量，并使用軟件以適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯?。（最佳方案?/p>

一般來說，多路復(fù)用器可以通過多個SPDT繼電器構(gòu)建。通常多路復(fù)用器具有更高的插入損耗，因為多路復(fù)用器的插入損耗包含各個SPDT繼電器的插入損耗以及路由的PCB跡線的插入損耗之和以及這些SPDT繼電器之間的信號。

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測量應(yīng)用中，一種均勻拓撲結(jié)構(gòu)

信號路徑越間接（即中繼越多），傳輸線中的插入損耗越大。這個概念不僅適用 于每一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，對于射頻系統(tǒng)的每個器件也是如此。因此，為了最小化系統(tǒng)的插損值，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)必須盡可能的縮短信號路徑，減少/移除線路上的不必要器件。（下圖，信號路徑上增加器件引起插損的增加）

例如級聯(lián)方案（級聯(lián)兩個4×1復(fù)用模型，構(gòu)建7×1復(fù)用器開關(guān)）：這個設(shè)計最大的缺點可能使信號路徑長度隨信道不同有很大差異。這種差異體現(xiàn)在駐波、插損等各方面上。實測DUT1的反射遠大于DUT7?，F(xiàn)實測試中，通常需要所有DUT上相同的性能。

固有的8×1模塊拓撲，這這種方法使用固有8×1模塊從7個待測設(shè)備上路由信號。因為整個系統(tǒng)都是在一個模塊內(nèi)部，外部電纜和附加連接器的使用滿足最小化。此外，源自DUT1和DUT7的信號將具有完全相同的路徑長度。因此，對于這種設(shè)置，插損和反射信號都是最小的。但是，大型多路復(fù)用器網(wǎng)絡(luò)開關(guān)很難找到現(xiàn)成的。

使用SPDT繼電器構(gòu)建7×1多路復(fù)用。雖然這種方法構(gòu)造的7×1多路復(fù)用器的方法不如使用固有的8×1多路復(fù)用器那樣有效，但它遠遠優(yōu)于方法1中構(gòu)建的系統(tǒng)。因為它使用四SPDT模塊，以將信號從兩個4×1多路復(fù)用器路由到RF信號分析儀。通過這樣做，交換機網(wǎng)絡(luò)允許7×1多路復(fù)用器的每個通道路徑等長。因此，盡管信號反射和插入損耗將高于方法2中的系統(tǒng)，但是對于所有信道而言它是均勻的。

三、射頻開關(guān)的應(yīng)用與連接

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電纜

大部分的射頻系統(tǒng)使用同軸線進行信號傳輸。同軸線三個主要的部分包括：中心導(dǎo)體、外屏蔽層、通過放置中心導(dǎo)體和外殼之間電流耗散而用作電絕緣體的電介質(zhì)。

因為同軸電纜在其內(nèi)部（下圖中的內(nèi)導(dǎo)體）包含傳播的電磁信號，因為它們不會輻射噪聲，并且不易可能在附近殘留的其他信號。有可能影響系統(tǒng)性能的同軸電纜的幾個屬性。包括電纜衰減，截止頻率和特征阻抗。

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電纜衰減

電纜將對其路由的信號施加的總衰減取決于其導(dǎo)電和介電損耗，也稱為“電阻損耗”或“歐姆損耗”的它又取決于：

a.用于制造同軸電纜的金屬，通常，選高導(dǎo)電性的銅或銀

b.電纜中心和外導(dǎo)體的直徑

減小RF系統(tǒng)中的導(dǎo)電損耗的一種方式是使用具有較大直徑的電纜。較大的電纜包含更多的金屬用于傳導(dǎo)電流，因此每單位長度的衰減比較小。

同樣值得注意的是，由電纜引入的導(dǎo)電損耗的量取決于其路由的信號頻率。隨頻率增加，電流密度傾向于集中在內(nèi)部導(dǎo)體的外表和外部導(dǎo)體的內(nèi)表面附近（稱為“趨膚效應(yīng)”）。這使得任何電纜中的導(dǎo)電損耗以相關(guān)信號的頻率的平方根成正比增長。

除了導(dǎo)電損耗之外，電力也在電纜的電介質(zhì)（中心和外部導(dǎo)體之間的材料）中耗散。這種類型的功率損耗被稱為“介電損耗”。對于同軸電纜，介電損耗線性地取決于頻率，并且與在電纜的中心和外部導(dǎo)體之間使用的材料的介電常數(shù)（或介電常數(shù)）的平方根成比例。

電纜中的導(dǎo)電損耗和介電損耗的組合通常被稱為其“衰減因子”，其通常以單位電纜長度的dB表示。衰減系數(shù)的值通常列在電纜制造商的數(shù)據(jù)表中。具有較大直徑的電纜通常表現(xiàn)出較低的損耗，并且能夠傳輸比較小的功率電平更高的功率電平。

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截止頻率 特征阻抗

截止頻率是線纜可用的最大頻率。高于其截止頻率，通過其信號的質(zhì)量會顯著的劣化。電纜的截止頻率與其直徑成反比。因此，更小的電纜比更大的電纜能操作更高的頻率。然而，出于所有實際目的，具有0.5‘’直徑或更大直徑的電纜具有遠高于10GHz的截止頻率。因此，大部分開關(guān)系統(tǒng)，對截止頻率的關(guān)心比對線纜衰減的關(guān)心要小。

為了確保射頻系統(tǒng)中從信號源到負載的功率最大限度的被接收，線纜的特征阻抗應(yīng)該匹配源和負載端。大部分RF開關(guān)設(shè)備的特征阻抗不是50Ω就是75Ω （分別用于通信和視頻應(yīng)用），RF電纜通常也為這兩個阻抗。電纜的特性基于其單位長度電阻、電導(dǎo)、電容和電感，其又取決于電纜的物理尺寸以及用于分離兩個導(dǎo)體的電介質(zhì)。

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做工

所用材料的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量自然會影響電纜的性能。更好的材料質(zhì)量將對電纜的傳輸性能有一定的提升，但它也會更昂貴。所有的同軸電纜均采用實心或絞合中心導(dǎo)體制造。這兩種變體都有自己的優(yōu)點合缺點。

絞合中心導(dǎo)體使線纜柔性好，由于電纜和連接器上的較低應(yīng)力，它將持續(xù)更長時間。

具有實心中心導(dǎo)體的電纜通常制造成本更低，并且與單股電纜相比，每單位長度衰減更低。

除了中心導(dǎo)體的構(gòu)造之外，外導(dǎo)體上的絕緣材料或缺少它也會影響電纜中的損耗。例如，具有實心絕緣外屏蔽的半剛性電纜類型通常具有所有電纜類型的最佳隔離規(guī)格。由于這種高隔離度，半剛性電纜是在噪聲環(huán)境中傳輸RF信號的理想選擇。

同于構(gòu)造電纜的材料還決定其最小和最大工作溫度。一些電纜類型設(shè)計為在戶外或埋藏，而其他不是。在設(shè)計測試系統(tǒng)時應(yīng)當(dāng)小心，確保系統(tǒng)中使用的電纜能夠承受其操作環(huán)境。

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線纜類型半剛性電纜設(shè)計用于高性能應(yīng)用（某些電纜超過100GHz），其中安裝是永久性的，安裝后電纜幾乎不移動。

這種電纜適用于15GHz以上應(yīng)用，編織結(jié)構(gòu)提升了電纜的柔性。一旦彎折完畢，它將無限期的保持這個形狀。這種電纜可以較少次數(shù)的彎曲成不同的形狀，不會損壞。

柔性線纜有很多分類專業(yè)類型設(shè)計如低損耗、高功率、或額外的靈活性。柔性線纜的隔離性能通常變化很大，取決于外屏蔽導(dǎo)體的覆蓋范圍。

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線纜終端（連接器）

線纜終端連接原始同軸線到DUT或測試系統(tǒng)。終端在質(zhì)量和成本上都可能存在很大差異。類似于線纜的選擇，特定應(yīng)用通常將確定哪個連接器是最合適的。將連接器連接到電纜有兩種主要方法。給定合適的工具，兩者可以手工組裝。大多數(shù)制造商為它們銷售的連接器提供裝配說明。

焊接型連接器及處理工藝通過焊接將電纜的外屏蔽層鏈接到連接器的外金屬件。這種類型的連接器設(shè)計為半剛性或適應(yīng)性的電纜使用。當(dāng)時用焊接型連接器時，要確保整個連接器主體周圍有良好的焊腳。焊接連接通常比壓接連接更牢固。

壓接型連接器及處理工藝通過兩者之間壓縮連接將屏蔽和連接器主體固定在一起。此連接器類型最適合與柔性電纜一起使用。連接器通常具有兩個部件，連接器本體和壓接套管。在組裝期間，電纜屏蔽件放置在兩個部件之間，然后壓接套筒圍繞連接器本體變形。為了在使用這種類型的連接時獲得最佳性能，壓接接頭應(yīng)均勻，并使用制造商建議的壓接工具制造。

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連接器類型

N型連接器具有堅固、高功率容量的特點，它的最大頻率為11GHz，是較大的RF連接器之一。N型連接器采用可手動擰緊的螺紋接口。還提供75Ω版本的連接器，但是兩個版本的連接器不兼容，如果75歐姆N型連接器連接到50Ω設(shè)備，則可能損壞75Ω連接器。大多數(shù)N型連接器設(shè)計適用于僅使用柔性同軸線纜的應(yīng)用，對于一些具有靈活性的實心外導(dǎo)體的特殊電纜一樣可設(shè)計為N型頭。

SMA連接器對于射頻射頻來說是非常普遍使用的一種連接器，大多數(shù)RF廠商都會提供這種類型的連接。SMA連接器小于N型連接器，以前通常具有18GHz的較高頻率限制，一些制造商提供的SMA v2.9連接器可以支持40 GHz頻率，就像N型連接器，SMA也是螺紋口，但必須使用扭矩扳手擰緊，以獲得最佳性能。SMA連接器僅用于50Ω的RF系統(tǒng)。它廣泛的應(yīng)用于半剛、半柔半剛、柔性纜。

SMB連接器使用按壓接口（連接器通過將它們壓在一起，通常與某種保持機制配合），允許更快地連接和斷開。完全嚙合時，連接器將卡扣在一起。SMB連接器的尺寸略小于SMA的尺寸。然而，這種連接器既不堅固也不精確，因此其頻率范圍僅限于4 GHz。SMB連接器可用于半剛型、適形型和柔性纜組件。標(biāo)準(zhǔn)SMB連接器僅針對50ΩRF應(yīng)用設(shè)計。雖然存在75Ω SMB接口，但它的大小與50Ω SMB連接器不同。SMB連接不如SMA使用廣泛。

BNC連接器時最古老的RF連接器之一，仍然廣泛應(yīng)用與頻率為4GHz以下的應(yīng)用。像SMB連接器一樣，BNC連接器相對快速的連接和斷開，并且利用卡口接線片用于電纜保持。電纜扭曲約1/4圈，知道卡口式凸耳將兩半固定在一起。BNC連接器可用于幾乎每種類型的額電纜和組裝方式。

Mini-75Ω SMB比其他75Ω連接器的主要優(yōu)點是其尺寸。 Mini-75 Ohm SMB連接器的額定頻率為2-3 GHz，具體取決于制造商。

MCX連接器是為了在更小的封裝尺寸下為RF連接器帶來更高的性能。MCX是像SMB這樣的連接器接口上的按鈕，但是小了30%。MCX連接器額定值高達6GHz，不像帶螺紋接口那樣堅固，可提供50Ω/75Ω配置。此外，MCX電纜可能不如SMA或SMB常見，因此與SMB和SMA連接器相比，更難與MCX連接器連接。