射频和微波开关测试系统基础

  射频和微波开关测试系统基础无线通信产业的巨大成长意味着对于无线设备的元器件和组件的测试迎来了大爆发，包括对组成通信系统的各种RF IC 和微波单片集成电路的测试。

  无线通信行业的大增长意味着无线设备的元器件和组件测试迎来了大爆炸，包括组成通信系统的各种射频IC和微波单片集成电路的测试。这些测试通常需要高频率，通常在GHz范围内。摘要:本文讨论了射频和微波开关测试系统中的关键问题，包括不同的开关类型、射频开关卡规格，以及在设计射频开关时需要考虑的问题，以帮助测试工程师提高测试吞吐量和降低测试成本。射频开关和低频开关的区别

  将信号从一个频点切换到另一个频点似乎很容易，但如何实现极低的信号损耗?当设计具有低频和直流(DC)信号的开关系统时，有必要考虑其独特的参数，包括接触电势、建立时间、偏置电流和隔离特性。

  高频信号和低频信号类似，需要考虑其特有的参数，这些参数会影响信号在切换过程中的性能，包括VSWR(电压驻波比)、插入损耗、带宽和通道隔离等。此外，硬件因素，如终端，连接器类型和继电器类型，也会大大影响这些参数。

  继电器中开关电容的类型和结构是限制开关信号频率的常见因素。继电器的材料和物理特性决定了其内部电容。例如，在超过40GHz的射频和微波开关中，机电继电器采用特殊的触点结构，以获得更好的性能。图1示出了典型的配置，其中公共端子位于两个开关端子之间。所有信号连接线都是同轴的，以确保最佳的信号完整性(SI)。在这种情况下，连接器是SMA母接头。对于更复杂的开关结构，公共端子被每个开关端子径向包围。

  射频开关采用了一系列复杂的开关拓扑。矩阵开关可以连接每个输入和每个输出。微波开关结构中使用两种类型的矩阵——阻塞型和非阻塞型。一个分块矩阵可以连接任何输入和任何输出，所以其他输入和输出不能同时连接。对于只需要一次切换到一个信号频率的应用，这是一种有效的低成本方案，信号完整性更好，因为中继路径更少，特别是避免了相位延迟的问题。无阻塞矩阵允许同时连接多条路径。这种架构有更多的继电器和电缆，因此更灵活，但也更昂贵。

  堆叠交换机架构是多位置交换机的一种替代形式。它使用多个继电器将一个输入连接到多个输出。路径长度(也决定相位延迟)由信号通过的继电器数量决定。

  树形架构是级联交换机架构的替代方案。与堆叠架构相比，对于相同规格的系统，树形技术需要更多的继电器。但是，选中的路由和其他未使用的路由之间的隔离会更好，从而减少继电器和通道之间的串扰。树形架构有一些优点，包括未端接的短截线，每个通道的特性会很相似。但是，选择的路由上有多个中继，意味着损耗会更大，信号完整性也堪忧。

  射频开关卡架构在测试仪器主机上应用射频开关卡时，为了保证信号的完整性，需要了解很多电气性能指标。串扰是指不同通道上传输的信号之间或通道上的信号与输出信号之间的电容耦合、电感耦合或电磁辐射。一般用特定负载阻抗和特定频率下的分贝数来描述。插入损耗是信号在开关卡或系统中传输时的衰减，用特定频率范围的分贝数表示。当信号较低或噪声较高时，插入损耗是一个非常重要的技术指标。电压驻波比(VSWR)是对传输线上信号反射的度量，它被定义为信号路径上驻波的最高电压幅度与最低电压幅度的比值。信号交换、传输或放大的有限频率范围称为带宽。对于给定的负载条件，带宽范围由-3dB(半功率)点定义。

  隔离度是相邻通道的电压比，定义为一个频率范围内的分贝数。

  RF开关设计为了设计RF开关系统，需要额外考虑一系列关键因素。

  阻抗匹配——假设开关放置在测量仪器和DUT(被测设备)之间，几个系统中的所有阻抗必须匹配。为了实现最佳的信号传输，信号源的输出阻抗应该等于开关的特性阻抗、电缆的阻抗和DUT的阻抗。在射频测试中，常见的阻抗水平是50或75欧姆。无论需要什么样的阻抗水平，适当的阻抗匹配将确保整个系统的完整性。

  输入VSWR和通过VSWR的信号路径决定了测量的精度。失配不确定度(dB)= 20 x log(1+/-γSIG路径*γinst)其中γ= VSWR-1/VSWR+1

  如果信号路径输出和仪器输入具有良好的VSWR，例如1.3: 1，则失配不确定度约为+/-0.15dB

  端接——在高频下，所有的信号都必须适当端接，否则电磁波会在端接点反射，导致VSWR增加。没有终端的开关将增加关闭状态下的VSWR，并且开关通常需要提供50欧姆的终端电阻来匹配打开或关闭状态。VSWR增加后，如果反射部分足够大，甚至可能损坏源端。

  功率传输-另一个重要的考虑因素是系统将射频功率从仪器传输到DUT的能力。由于插入损耗，信号可能需要放大。在某些应用中，可能需要降低DUT的信号功率。放大器或衰减器的使用可以确保准确的信号功率值被传输到交换系统。

  信号滤波器-信号滤波器在某些情况下非常有用，例如当通过交换机传输的信号中意外添加了噪声时。如果原始信号频率不适合DUT测试频率，滤波器也很有用。这种情况下，可以在开关中添加一个滤波器，以改变信号带宽或滤除不需要的信号频率。

  相位失真——随着测试系统规模的扩大，来自同一信号源的信号可能通过不同的信道传输到DUT，导致相位失真。这个指标通常称为传输延迟。对于给定的导电介质，延迟与信号路径长度成正比。不同的信号路径长度会导致信号相移，从而导致错误的测量结果。为了减少相位失真，有必要确保相同的信号路径长度。

  总结和理解射频/微波交换系统采购和建设中的各种设计参数，有利于保证信号和系统的完整性。

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