配置一個(gè)最佳的RF/微波開(kāi)關(guān)系統(tǒng)

隨著通信業(yè)的高速增長(zhǎng)，組成這些不同通信系統(tǒng)的各種元器件的測(cè)試量也隨之有了巨大增長(zhǎng)。這些產(chǎn)品的測(cè)試要求和步驟均有較大的不同，所有的測(cè)試必須在非常高的頻率（GHz以上）下進(jìn)行。一套典型的測(cè)試系統(tǒng)主要包括DC基準(zhǔn)電壓、DC測(cè)量、RF功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。將測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化以及改善測(cè)試效率要求將RF/微波以及低頻開(kāi)關(guān)系統(tǒng)融入到測(cè)試系統(tǒng)中。

　　開(kāi)關(guān)的目的是將信號(hào)從測(cè)量?jī)x器傳輸至待測(cè)設(shè)備（DUT）中。使用開(kāi)關(guān)，一臺(tái)儀器能夠測(cè)量多個(gè)DUT，多臺(tái)儀器也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)測(cè)試一個(gè)DUT，或者多個(gè)儀器測(cè)試多個(gè)DUT。因此開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的使用能夠自動(dòng)地執(zhí)行測(cè)試過(guò)程。

　　本文簡(jiǎn)要討論了配置一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的幾個(gè)重要方面，包括系統(tǒng)配置和重要的開(kāi)關(guān)指標(biāo)的選擇。
開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的配置

　　開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以非常簡(jiǎn)單，也可以相當(dāng)復(fù)雜。例如，一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)（SPDT）可以將信號(hào)切換至兩個(gè)不同的DUT上。可以將其擴(kuò)展，形成一個(gè)"多路復(fù)用器"配置，使單個(gè)儀器可以切換至多個(gè)不同的DUT上。也可以是多個(gè)儀器對(duì)多個(gè)DUT。在這種情況下，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以是多路復(fù)用器或一個(gè)矩陣，在某個(gè)時(shí)刻，只能傳輸一路信號(hào)。圖1給出了一個(gè)SPDT和一個(gè)1×16的多路復(fù)用器的結(jié)構(gòu)。

　　為了增加測(cè)試的靈活性，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以將多個(gè)儀器與多個(gè)DUT相連接。這個(gè)被稱之為"blocking"配置。在任一時(shí)刻，任何儀器僅可以與一路輸出相連。圖2給出一個(gè)4×4的blocking開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

　　為了在任意時(shí)刻將任何信號(hào)切換至任何DUT，可以使用非blocking方式的配置（有時(shí)稱之為一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣）。這種開(kāi)關(guān)配置具備高的靈活性，但成本也是最高的。圖3給出了一個(gè)4×4的非blocking的開(kāi)關(guān)配置，圖4給出了一個(gè)擴(kuò)展的4×6開(kāi)關(guān)配置。

選擇重要的開(kāi)關(guān)指標(biāo)

　　開(kāi)關(guān)的使用會(huì)不可避免地影響測(cè)量系統(tǒng)的性能，所以考慮幾個(gè)能影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)是很重要的。在配置開(kāi)關(guān)時(shí)有兩種類型的參數(shù)需要考慮：電性能指標(biāo)和機(jī)械性能指標(biāo)。

　　電性能指標(biāo)
　　（1）阻抗匹配：開(kāi)關(guān)是測(cè)量?jī)x器和待測(cè)設(shè)備之間的一套儀器， 3個(gè)系統(tǒng)中(開(kāi)關(guān)、測(cè)量?jī)x器、待測(cè)設(shè)備)所有的阻抗必須匹配。對(duì)于最佳的信號(hào)傳輸，源的阻抗應(yīng)等于開(kāi)關(guān)和DUT的阻抗。在RF測(cè)試中，使用不同的阻抗級(jí)可達(dá)到不同的目的。最常用的阻抗級(jí)是50Ω。對(duì)于更好的功率傳送，阻抗可低至30Ω。為了使RF信號(hào)衰減量更少，使用的典型阻抗是75Ω。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。

　?。?）插入損耗：任何在信號(hào)傳輸線上的元器件都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的損耗。尤其是在頻率更高或者共振頻率點(diǎn)上損失會(huì)更大。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)。插入損耗反映出在DUT上的實(shí)際功率與測(cè)試儀器源值相比的一個(gè)衰減程度。一般來(lái)說(shuō)，它被指定為在某一頻率上或者在一個(gè)頻率范圍之內(nèi)輸出功率與輸入功率的一個(gè)比值。
　　　　　　Insertion Loss(dB)=-10log(Pout/Pin)

　?。?）通道隔離：在更高的頻率點(diǎn)上，不同通道上傳送的信號(hào)會(huì)因通道之間的電容耦合或者電磁輻射而產(chǎn)生相互干擾，這被稱為"crosstalk"。當(dāng)一個(gè)弱信號(hào)通道在一個(gè)強(qiáng)信號(hào)通道鄰近時(shí)，crosstalk會(huì)產(chǎn)生很大影響。為了使信號(hào)通道之間保持足夠的隔離，應(yīng)該使用隔離測(cè)量。

　?。?）電壓駐波比（VSWR）：任何在高頻信號(hào)通道上的元器件不僅會(huì)產(chǎn)生插入損耗，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳送線上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的。這種干涉經(jīng)常是系統(tǒng)中不同部分的阻抗不匹配或者是系統(tǒng)中連接點(diǎn)的阻抗不匹配造成的。駐波比定義為信號(hào)中駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。在工程上VSWR經(jīng)常表示為回波損失：
　　　　　Return Loss(dB)=-20log[(VSWR-1)/(VSWR+1)]

　?。?）信號(hào)濾波器：在很多情況下，噪聲會(huì)不可避免地加入到傳送信號(hào)中，因此信號(hào)濾波器是很有用的。如果原始信號(hào)頻率不適合DUT測(cè)試頻率，濾波器可被加到開(kāi)關(guān)中以消除噪聲或者限制傳送信號(hào)的帶寬。

　　（6）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(lái)的信號(hào)可能會(huì)通過(guò)不同的途徑傳送至DUT。這個(gè)指標(biāo)通常被稱之為傳送延遲。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)。相移會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。因此，要使用保證相同相移或相同傳送速度的技術(shù)以消除這種影響。

　?。?）可靠性和可重復(fù)性：開(kāi)關(guān)的可靠性是一個(gè)重要的因素。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)開(kāi)關(guān)繼電器應(yīng)該具有至少一百萬(wàn)次的壽命時(shí)間；很多繼電器都有五百萬(wàn)次的壽命時(shí)間。
可重復(fù)性是對(duì)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)使用時(shí)，測(cè)量插入損耗的變化和相移的變化情況，同樣是一個(gè)重要因素。

機(jī)械指標(biāo)

　?。?）外形尺寸：這取決于用戶不同的應(yīng)用情況，開(kāi)關(guān)外形尺寸可能會(huì)限制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的選擇。對(duì)于一個(gè)小開(kāi)關(guān)，一個(gè)小盒子就可以了。例如Keithley的7999－4型微波開(kāi)關(guān)是一個(gè)RS232控制的SPDT開(kāi)關(guān)，帶有一個(gè)小的金屬框架。對(duì)于一個(gè)中等數(shù)量信號(hào)路數(shù)的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，Keithley的7001系統(tǒng)是一個(gè)合適的選擇。再大的系統(tǒng)，可能會(huì)需要7002型的10槽的系統(tǒng)。

　?。?）連接器和電纜：在RF/微波開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中可以使用很多種類型的連接器和電纜。在選擇連接器和電纜時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮信號(hào)頻率、系統(tǒng)阻抗、測(cè)試夾具和機(jī)械手接口。

　?。?）開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示：在系統(tǒng)建立和調(diào)試時(shí)，開(kāi)關(guān)機(jī)箱應(yīng)提供一個(gè)LED顯示以指示開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

其他相關(guān)考慮

　　除了RF/微波開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的電氣和機(jī)械規(guī)格以外，還需要仔細(xì)考慮幾個(gè)會(huì)影響系統(tǒng)性能的因素。

　?。?）在高頻處，所有信號(hào)必須要被適當(dāng)終止，否則電磁波會(huì)從終止點(diǎn)處反射，從而導(dǎo)致VSWR的增加。如果反射部分足夠大，甚至有可能損壞源。一般來(lái)說(shuō)，所用同軸電纜是在50Ω時(shí)終止信號(hào)。對(duì)于其他類型的通信系統(tǒng)，信號(hào)在75Ω時(shí)被終止。

　?。?）帶寬：大部分開(kāi)關(guān)系統(tǒng)用戶希望開(kāi)關(guān)的帶寬盡可能寬。然而，寬帶寬的開(kāi)關(guān)比較昂貴。如果一個(gè)窄帶寬的開(kāi)關(guān)能夠達(dá)到同樣的目的，則成本會(huì)顯著降低。另外一個(gè)要考慮的因素是使用高頻時(shí)，帶寬取決于系統(tǒng)所用的連接器和電纜，為保證足夠的系統(tǒng)性能，需要使用性能高的連接器和電纜。

　　（3）功率傳送：另外一個(gè)重要的考慮是系統(tǒng)傳送RF功率（從儀器至DUT）的能力。由于插入損耗，信號(hào)可能需要放大。有時(shí)候，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(kāi)關(guān)系統(tǒng)。