射頻開關(guān)（RF Switch）基礎(chǔ)

前段時間有朋友咨詢關(guān)于射頻開關(guān)相關(guān)的問題，今天在網(wǎng)站上搜到一份不錯的介紹資料，射頻學(xué)堂將其整理成中文分享給大家：Guide to Understanding and Developing an RF Switch Network，是NI的一份關(guān)于射頻開關(guān)白皮書。

今天我們先來學(xué)習(xí)一下白皮書第一章的內(nèi)容：Understanding Key RF Switch Specifications，【射頻學(xué)堂】將其作為第一講射頻開關(guān)的基礎(chǔ)知識。本節(jié)將解釋基本的 RF 開關(guān)規(guī)格，例如插入損耗、VSWR、特性阻抗和上升時間。

隨著最近用于測試系統(tǒng)開發(fā)的射頻開關(guān)產(chǎn)品的可用性激增，為您的應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品變得越來越困難。大多數(shù)射頻供應(yīng)商使用兩個主要規(guī)范來描述他們的射頻開關(guān)產(chǎn)品——拓?fù)浜蛶挘ɡ?NI PXI-2594 2.5 GHz 4x1 多路復(fù)用器）。雖然這些規(guī)格在評估階段確實很重要，但它們并沒有為買家提供足夠的信息來做出明智的購買決定。本教程的目的是向您介紹設(shè)計 RF 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)時必須考慮的以下七個重要規(guī)范：

特性阻抗

帶寬

拓?fù)?/p>

插入損耗

回波損耗和電壓駐波比 (VSWR)

隔離和串?dāng)_

上升時間??

在討論特性阻抗和其他 RF 開關(guān)規(guī)格之前，首先要了解信號在 DC 電路與 RF 系統(tǒng)中傳播方式之間的區(qū)別。在直流電路或傳播信號頻率較低的電路中，信號路徑中電纜上不同點的信號電壓變化很小。在 RF 或高頻信號的情況下，情況并非如此，其中信號的波長與電纜的長度相比非常小，允許信號的多個周期同時通過電纜傳播。

考慮一個例子，其中兩個不同頻率的波（信號）通過 1 m 同軸電纜傳播。第一個信號的頻率為1 MHz，而第二個信號的頻率為1 GHz。為了計算它們的波長，我們將使用以下公式：

式中l(wèi)為信號波長，f為頻率，VF為電纜速度因子。讓我們假設(shè)用于路由兩個信號的同軸電纜是 RG8 類型，已知其速度因子為 0.66。

那么對于

在信號 1 的情況下，同軸電纜的長度與通過它傳播的信號的波長相比非常小。因此，如圖 1 所示，電纜中不同點的信號電位變化可以忽略不計。

對于 f = 1 GHz 的信號 2：

在信號 2 的情況下，同軸電纜的長度比通過它傳播的信號的波長大得多（幾乎 5 倍）。因此，在任何給定時間，信號的多個周期將同時通過電纜。由于它們的波長很小，高頻信號以波的形式通過電纜傳播。因此，此類信號在不同介質(zhì)之間傳播時會遭受反射和功率損耗（波動理論）。在電路的情況下，當(dāng)信號（波）通過具有不同特性阻抗的系統(tǒng)組件時，就會發(fā)生介質(zhì)的這種變化。因此，為了最大限度地減少反射和功率損耗，必須使用具有匹配阻抗的合適組件構(gòu)建 RF 系統(tǒng)。

特征阻抗

特性阻抗是傳輸線參數(shù)，由線路的物理結(jié)構(gòu)決定。它還有助于確定傳播信號如何在線路中傳輸或反射。RF 組件的阻抗不是直流電阻，對于傳輸線，可以使用以下公式計算：

在上面的公式中：

Z?0??= 特性阻抗

L??= RF 傳輸線每單位長度的電感，由電流流過導(dǎo)線時在導(dǎo)線周圍形成的磁場引起。

C??= 射頻傳輸線單位長度的電容。這也是兩個導(dǎo)體之間存在的電容

R??= 射頻傳輸線單位長度的直流電阻

G??= 每長度的介電電導(dǎo)

ω = 頻率（弧度/秒）

由于理想電纜沒有電阻或介質(zhì)泄漏，其特性阻抗可以使用上述公式計算為：

由于射頻系統(tǒng)中的所有組件都必須進行阻抗匹配以最大限度地減少信號損失和反射，因此組件制造商專門設(shè)計了他們的設(shè)備，使其具有 50 或 75 Ω 的特征阻抗。50 Ω RF 系統(tǒng)構(gòu)成了 RF 市場的大部分，包括大多數(shù)通信系統(tǒng)。75 Ω RF 系統(tǒng)數(shù)量較少，主要用于視頻 RF 系統(tǒng)。工程師確保電纜和連接器等部件以及可能駐留在測試系統(tǒng)中的其他儀器都是阻抗匹配的，這一點至關(guān)重要。

插入損耗

如果信號傳輸?shù)膫鬏斁€長度大于其自身波長的 0.01，則信號中會出現(xiàn)顯著的功率損耗。開關(guān)模塊的“插入損耗”規(guī)格是這種功率損耗和信號衰減的量度。開關(guān)模塊在特定頻率下的插入損耗可用于計算在該頻率下打開信號引起的功率損耗或電壓衰減。

功率損耗計算公式：

電壓衰減計算公式：

要理解插入損耗的概念，請將開關(guān)或繼電器視為低通濾波器?，F(xiàn)實世界中的每個開關(guān)都有一些寄生電容、電感、電阻和電導(dǎo)。這些寄生成分結(jié)合在一起會衰減和降級開關(guān)用于路由的信號。這些元件引起的功率損耗和電壓衰減隨輸入信號的頻率而變化，可以通過開關(guān)模塊在該頻率下的插入損耗規(guī)格來量化。因此，確保開關(guān)的插入損耗在應(yīng)用的帶寬要求下是可接受的至關(guān)重要。為了理解為什么這很重要，讓我們考慮一個比較兩個開關(guān)對于特定 RF 應(yīng)用的適用性的示例。該應(yīng)用的要求包括將八個 3 GHz 視頻信號路由到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的一個通道，衰減小于 30%（插入損耗在 3 GHz 時應(yīng)小于 3 dB）。考慮的第一個開關(guān)是 NI PXI-2557 75 Ω 2.5 GHz 8x1 多路復(fù)用器，而第二個是來自另一家 PXI 供應(yīng)商的 3 GHz 75 Ω 8x1 多路復(fù)用器。在初步檢查兩個模塊的更高級別規(guī)格后，似乎后者更合適（后者具有更好的帶寬規(guī)格）。然而，對這兩種產(chǎn)品進行仔細檢查后發(fā)現(xiàn)，這種假設(shè)并不成立。下圖顯示了在兩個交換機模塊上收集的從 160 MHz 到 3 GHz 的插入數(shù)據(jù)。

可以看出，在 3 GHz 時，2.5 GHz 模塊的插入損耗約為 1.78 dB，而 3 GHz 開關(guān)的插入損耗接近 5.64 dB。從這些值我們可以計算出兩個模塊造成的后續(xù)電壓和功率損耗為：

上表中的值表明，3 GHz 1 V?pp?正弦波在通過 NI PXI-2557 2.5 GHz 75 Ω 多路復(fù)用器時會衰減至 0.817 V?pp。當(dāng)同一信號通過來自其他 PXI 供應(yīng)商的 3 GHz 75 Ω 多路復(fù)用器時，將衰減至 0.522 V pp。由此可以看出，即使替代 PXI 供應(yīng)商的開關(guān)模塊的帶寬規(guī)格高于 NI 模塊的帶寬規(guī)格，但其引起的凈信號衰減明顯高于 NI PXI-2557 引起的信號衰減。此外，可以肯定地說，在上述 3 GHz 應(yīng)用的情況下，2.5 GHz NI 開關(guān)模塊比其 3 GHz 對應(yīng)物更適合。

電壓駐波比 (VSWR)

VSWR 是反射波與透射波的比率。如前所述，在較高頻率下，信號在通過傳輸線或電纜時采用波的形式和形狀。出于這個原因，就像在聲波和光波的情況下一樣，當(dāng)信號穿過不同的介質(zhì)（例如阻抗不匹配的組件）時會發(fā)生反射。在開關(guān)模塊中，這種不匹配可能存在于連接器的特性阻抗、PCB 走線和實際繼電器本身之間。因為 VSWR 是反射波功率的量度，它也可用于測量傳輸線中的功率損耗量。當(dāng)與輸入信號相加時，反射波會增加或減少其凈幅度，這取決于反射與輸入信號是同相還是異相?！榜v波”模式中最大（當(dāng)反射波同相時）與最?。ó?dāng)反射波異相時）電壓的比率稱為 VSWR。要了解如何計算射頻系統(tǒng)中的 VSWR 和回波損耗，讓我們考慮圖 6 中所示的射頻傳輸線。

在圖 6 的電路中，負(fù)載的阻抗 (40.5 Ω) 不等于源和傳輸線的阻抗 (50 Ω)。出于這個原因，通過傳輸線傳播的信號的某些部分會從負(fù)載反射回來。我們可以使用以下公式測量這種反射：

如您所見，回波損耗是反射信號功率的量度。它也是插入損耗的一個子集。RF 系統(tǒng)中的回波損耗（或反射）越高，其插入損耗就越高。

VSWR 是另一種測量信號反射的方法。它可以計算為：

在上式中，┏?是反射系數(shù)，可以使用以下公式計算：

對于圖 6 中的電路，我們計算 VSWR 為：

為了形象化本例中發(fā)生的情況，讓我們假設(shè)來自 RF 系統(tǒng)的信號是 1 V pp正弦波。由于系統(tǒng)的反射系數(shù)為 0.1，我們可以確定反射的幅度為 0.1 x 1 = 0.1 V 或 100 mV。圖 7 顯示了當(dāng)反射波與輸入信號分別同相和異相 180 度時產(chǎn)生的合成信號的最大和最小幅度。

如前所述，VSWR 是駐波模式中最大電壓與最小電壓的比值。使用這個定義，我們可以從圖 7 中計算出 VSWR 為：

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帶寬

如前所述，射頻開關(guān)模塊的帶寬是其主要規(guī)格之一。然而，帶寬只能為我們提供給定產(chǎn)品性能的近似值，因為為 RF 開關(guān)建立帶寬規(guī)范的過程因供應(yīng)商而異。開關(guān)的帶寬僅表示供應(yīng)商認(rèn)為可以以可接受的?損耗路由通過它的最大頻率信號。但是，一個供應(yīng)商可以接受的可能對另一個供應(yīng)商來說是不可接受的。因此，例如來自供應(yīng)商 A 的 3 GHz 交換機可能與來自供應(yīng)商 B 的 3 GHz 交換機具有完全不同的性能指標(biāo)。

再次考慮由o不同供應(yīng)商生產(chǎn)的具有相似拓?fù)浜吞匦宰杩沟珟捯?guī)格不同的兩個模塊的示例。第一個模塊 NI PXI-2557，是一個 2.5 GHz 8x1 多路復(fù)用器，具有 75 Ω 特性阻抗；來自替代 PXI 供應(yīng)商的開關(guān)是具有 75 Ω 特性阻抗的 3 GHz 8x1 多路復(fù)用器。雖然看起來第二個模塊更適合路由 2 到 3 GHz 之間的信號，但圖 3 中收集和顯示的插入損耗數(shù)據(jù)表明情況并非如此。出于這個原因，NI 模塊的帶寬規(guī)范比其對應(yīng)的模塊要保守得多。，

許多人還認(rèn)為產(chǎn)品的帶寬是其 -3 dB 帶寬。這種觀點對于數(shù)字化儀等儀器是準(zhǔn)確的，其中設(shè)備的帶寬規(guī)格實際上是儀器模擬前端的 -3 dB 點。然而，對于 RF 開關(guān)，帶寬和 -3 dB 之間的關(guān)系并不總是成立。雖然有些供應(yīng)商確實將帶寬指定為 -3 dB，但其他供應(yīng)商則沒有。從圖 8 中的圖表可以看出一個例子，圖中顯示了 NI PXI-2547 在其帶寬 (2.7 GHz) 及其 -3 dB 點 (3.7 GHz) 下的插入損耗。

拓?fù)?/p>

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是選擇 RF 開關(guān)時要考慮的最重要的特性之一。選擇具有錯誤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)會對插入損耗和 VSWR 產(chǎn)生相當(dāng)大的影響?？捎糜?RF 的兩種主要拓?fù)漕愋褪嵌嗦窂?fù)用器和單刀雙擲 (SPDT) 繼電器。多路復(fù)用器是一種切換系統(tǒng)，可將多個輸入依次路由到一個輸出，反之亦然。SPDT 繼電器是多路復(fù)用器的縮小版本。單個 SPDT 繼電器可以將兩個輸入路由到一個輸出，反之亦然。RF 多路復(fù)用器通常由多個 SPDT 繼電器組成。

不同的應(yīng)用需要不同的射頻開關(guān)拓?fù)浣M合。例如，要對 4 通道被測設(shè)備 (DUT) 進行激勵-響應(yīng)測試，您可以使用帶有兩個獨立 4x1 多路復(fù)用組的模塊。另一方面，對于從八個獨立 DUT 的輸出進行分析的測試，具有單個 8x1 組的模塊會更可取。由于市場上有多種射頻開關(guān)可供使用，因此了解這些不同拓?fù)涞淖罴延猛疽员銥槟膽?yīng)用選擇最佳選擇非常重要。

通過討論構(gòu)建 7x1 多路復(fù)用器的兩種不同方法，圖 9 和 10 中的示例將說明為什么更可取。第一種方法級聯(lián)兩個 4x1 多路復(fù)用器以構(gòu)建單個 7x1 多路復(fù)用器。這種設(shè)置的缺點是它需要來自 DUT 的信號在到達矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 之前通過兩個開關(guān)模塊（總共四個 SPDT 繼電器）。因此，信號路徑中出現(xiàn)的凈插入損耗現(xiàn)在是系統(tǒng)中每個單獨繼電器和電纜的單獨插入損耗規(guī)格的總和。

第二種方法使用固有的 8x1 多路復(fù)用器（例如 NI PXI-2547 50 Ω 2.7 GHz 8x1 多路復(fù)用器）將七個 DUT 路由到 VNA。這種配置將改善系統(tǒng)插入損耗，不僅因為它減少了信號路徑中的 SPDT 繼電器總數(shù)（三個 SPDT 繼電器而不是四個），而且還因為它消除了系統(tǒng)中的額外布線，例如存在于模塊之間的電纜以前的系統(tǒng)。因此，在第二個系統(tǒng)中到達 VNA 的信號質(zhì)量很可能比第一個系統(tǒng)好得多。

隔離和串?dāng)_

隔離度定義為通過開路耦合的信號的幅度。串?dāng)_被定義為耦合在電路（例如射頻模塊上的單獨多路復(fù)用器組）之間的信號幅度。

上升時間

如果信號是純正弦信號，則開關(guān)模塊的帶寬/插入損耗性能足以確定產(chǎn)品是否適合應(yīng)用。然而，對于具有多個頻率分量的信號，例如方波，這可能并不那么簡單，因為保持此類信號的完整性取決于開關(guān)對信號上升時間的影響。由于方波由許多頻率不同的正弦波組成，為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，開關(guān)的帶寬必須足夠高，以使所有單個正弦波的衰減最小。根據(jù)經(jīng)驗，對于方波，一旦第 5次?? 或第7次達到諧波，上升時間的變化最小。因此，一般來說，如果開關(guān)的 -3 dB 點（該點插入損耗等于 3 dB 的頻率）是方波基頻的 7 倍，方波可以通過開關(guān)路由。一些供應(yīng)商指定了開關(guān)的上升時間。如果是這種情況，請檢查以確保開關(guān)模塊的上升時間規(guī)格小于需要以最小失真路由的最高諧波的上升時間。

下圖顯示了方波5次諧波的上升時間測量值。讓我們假設(shè)這是需要通過開關(guān)路由的方波的最高諧波。要確定特定開關(guān)是否可以成功路由信號，我們需要將開關(guān)的上升時間與諧波的上升時間進行比較。有時此規(guī)范不適用于開關(guān)模塊。在這種情況下，我們可以計算此諧波的 -3 dB 點并將其與開關(guān)的 -3 dB 點進行比較。-3 dB 點可以使用以下公式從上升時間計算：

, 其中 t?R是開關(guān)模塊的上升時間

對于上圖所示的信號，我們計算達到 -3 dB 時的頻率為 6.36 Hz（上升時間為 0.055 s）。因此，在 6.36 Hz 或更高頻率下插入損耗小于 3 dB 的開關(guān)將足以路由方波。

結(jié)論

儀器或開關(guān)的電壓規(guī)格是該設(shè)備的物理限制。同樣，數(shù)字化儀的采樣率和數(shù)字萬用表的精度很好地描述了儀器的最大性能。200 MS/s 的數(shù)字化儀無法實現(xiàn)比 200 MS/s 更快的實時采樣率。但是，2 GHz RF 開關(guān)可以路由 2 GHz 以上的信號，但功率損耗更大。因此，為您的應(yīng)用選擇最佳和最具成本效益的 RF 開關(guān)需要徹底查看產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表，以確定其插入損耗、VSWR、隔離度和其他規(guī)格是否滿足您的系統(tǒng)要求。一些供應(yīng)商提供掃描圖來顯示整個頻率范圍的這些規(guī)格，而其他供應(yīng)商僅提供特定頻率的規(guī)格。在這種情況下，重要的是聯(lián)系供應(yīng)商并獲得更完整的規(guī)格，以確定產(chǎn)品是否適合您的應(yīng)用。

　審核編輯：湯梓紅