配置一个最佳的RF/微波开关系统(图)

随着通信业的高速增长，组成这些不同通信系统的各种元器件的测试量也随之有了巨大增长。这些产品的测试要求和步骤均有较大的不同，所有的测试必须在非常高的频率（GHz以上）下进行。一套典型的测试系统主要包括DC基准电压、DC测量、RF功率计、网络分析仪等。将测试过程自动化以及改善测试效率要求将RF/微波以及低频开关系统融入到测试系统中。
　　开关的目的是将信号从测量仪器传输至待测设备（DUT）中。使用开关，一台仪器能够测量多个DUT，多台仪器也可以通过开关测试一个DUT，或者多个仪器测试多个DUT。因此开关系统的使用能够自动地执行测试过程。
　　本文简要讨论了配置一个高频开关系统的几个重要方面，包括系统配置和重要的开关指标的选择。
开关系统的配置
　　开关系统可以非常简单，也可以相当复杂。例如，一个单刀双掷开关（SPDT）可以将信号切换至两个不同的DUT上。可以将其扩展，形成一个"多路复用器"配置，使单个仪器可以切换至多个不同的DUT上。也可以是多个仪器对多个DUT。在这种情况下，开关系统可以是多路复用器或一个矩阵，在某个时刻，只能传输一路信号。图1给出了一个SPDT和一个1×16的多路复用器的结构。
为了增加测试的灵活性，开关系统可以将多个仪器与多个DUT相连接。这个被称之为"blocking"配置。在任一时刻，任何仪器仅可以与一路输出相连。图2给出一个4×4的blocking开关系统。
为了在任意时刻将任何信号切换至任何DUT，可以使用非blocking方式的配置（有时称之为一个开关矩阵）。这种开关配置具备高的灵活性，但成本也是最高的。图3给出了一个4×4的非blocking的开关配置，图4给出了一个扩展的4×6开关配置。
选择重要的开关指标
　　开关的使用会不可避免地影响测量系统的性能，所以考虑几个能影响系统性能的关键参数是很重要的。在配置开关时有两种类型的参数需要考虑：电性能指标和机械性能指标。
　　电性能指标
　　（1）阻抗匹配：开关是测量仪器和待测设备之间的一套仪器， 3个系统中(开关、测量仪器、待测设备)所有的阻抗必须匹配。对于最佳的信号传输，源的阻抗应等于开关和DUT的阻抗。在RF测试中，使用不同的阻抗级可达到不同的目的。最常用的阻抗级是50Ω。对于更好的功率传送，阻抗可低至30Ω。为了使RF信号衰减量更少，使用的典型阻抗是75Ω。不论要求什么样的阻抗级，适当的阻抗匹配将会保证整个系统完整性。
　　（2）插入损耗：任何在信号传输线上的元器件都会导致信号的损耗。尤其是在频率更高或者共振频率点上损失会更大。当信号低或者噪声大的时候，插入损耗是相当重要的技术指标。插入损耗反映出在DUT上的实际功率与测试仪器源值相比的一个衰减程度。一般来说，它被指定为在某一频率上或者在一个频率范围之内输出功率与输入功率的一个比值。
　　　　　　Insertion Loss(dB)=-10log(Pout/Pin)
　　（3）通道隔离：在更高的频率点上，不同通道上传送的信号会因通道之间的电容耦合或者电磁辐射而产生相互干扰，这被称为"crosstalk"。当一个弱信号通道在一个强信号通道邻近时，crosstalk会产生很大影响。为了使信号通道之间保持足够的隔离，应该使用隔离测量。
　　（4）电压驻波比（VSWR）：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传送线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的。这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。驻波比定义为信号中驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比。在工程上VSWR经常表示为回波损失：
　　　　　Return Loss(dB)=-20log[(VSWR-1)/(VSWR+1)]
　　（5）信号滤波器：在很多情况下，噪声会不可避免地加入到传送信号中，因此信号滤波器是很有用的。如果原始信号频率不适合DUT测试频率，滤波器可被加到开关中以消除噪声或者限制传送信号的带宽。
　　（6）相位失真：随着测试系统尺寸的扩大，从相同的信号源出来的信号可能会通过不同的途径传送至DUT。这个指标通常被称之为传送延迟。对一个给定的传导介质，延迟是与信号路径长度成正比的。不同的信号路径长度将会导致信号相位移动。相移会导致错误的测量结果。因此，要使用保证相同相移或相同传送速度的技术以消除这种影响。
　　（7）可靠性和可重复性：开关的可靠性是一个重要的因素。一般来说，一个开关继电器应该具有至少一百万次的寿命时间；很多继电器都有五百万次的寿命时间。
可重复性是对开关系统进行重复使用时，测量插入损耗的变化和相移的变化情况，同样是一个重要因素。
机械指标
　　（1）外形尺寸：这取决于用户不同的应用情况，开关外形尺寸可能会限制开关系统的选择。对于一个小开关，一个小盒子就可以了。例如Keithley的7999－4型微波开关是一个RS232控制的SPDT开关，带有一个小的金属框架。对于一个中等数量信号路数的开关系统，Keithley的7001系统是一个合适的选择。再大的系统，可能会需要7002型的10槽的系统。
　　（2）连接器和电缆：在RF/微波开关系统中可以使用很多种类型的连接器和电缆。在选择连接器和电缆时，应当考虑信号频率、系统阻抗、测试夹具和机械手接口。
　　（3）开关状态显示：在系统建立和调试时，开关机箱应提供一个LED显示以指示开/关状态。
其他相关考虑
　　除了RF/微波开关系统的电气和机械规格以外，还需要仔细考虑几个会影响系统性能的因素。
　　（1）在高频处，所有信号必须要被适当终止，否则电磁波会从终止点处反射，从而导致VSWR的增加。如果反射部分足够大，甚至有可能损坏源。一般来说，所用同轴电缆是在50Ω时终止信号。对于其他类型的通信系统，信号在75Ω时被终止。
　　（2）带宽：大部分开关系统用户希望开关的带宽尽可能宽。然而，宽带宽的开关比较昂贵。如果一个窄带宽的开关能够达到同样的目的，则成本会显著降低。另外一个要考虑的因素是使用高频时，带宽取决于系统所用的连接器和电缆，为保证足够的系统性能，需要使用性能高的连接器和电缆。
　　（3）功率传送：另外一个重要的考虑是系统传送RF功率（从仪器至DUT）的能力。由于插入损耗，信号可能需要放大。有时候，又可能需要减少信号至DUT上的功率。使用放大器或衰减器可保证将精确的信号功率值传送至开关系统。