射頻開關(guān)（RF Switch）基礎(chǔ)

前段時(shí)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(cuò)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(lái)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(shí)。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(shí)間。

隨著最近用于測(cè)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(lái)越困難。大多數(shù)射頻供應(yīng)商使用兩個(gè)主要規(guī)范來(lái)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(píng)估階段確實(shí)很重要，但它們并沒有為買家提供足夠的信息來(lái)做出明智的購(gòu)買決定。本教程的目的是向您介紹設(shè)計(jì) RF 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮的以下七個(gè)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(shí)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(hào)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(hào)頻率較低的電路中，信號(hào)路徑中電纜上不同點(diǎn)的信號(hào)電壓變化很小。在 RF 或高頻信號(hào)的情況下，情況并非如此，其中信號(hào)的波長(zhǎng)與電纜的長(zhǎng)度相比非常小，允許信號(hào)的多個(gè)周期同時(shí)通過電纜傳播。

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

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

那么對(duì)于

在信號(hào) 1 的情況下，同軸電纜的長(zhǎng)度與通過它傳播的信號(hào)的波長(zhǎng)相比非常小。因此，如圖 1 所示，電纜中不同點(diǎn)的信號(hào)電位變化可以忽略不計(jì)。

對(duì)于 f = 1 GHz 的信號(hào) 2：

在信號(hào) 2 的情況下，同軸電纜的長(zhǎng)度比通過它傳播的信號(hào)的波長(zhǎng)大得多（幾乎 5 倍）。因此，在任何給定時(shí)間，信號(hào)的多個(gè)周期將同時(shí)通過電纜。由于它們的波長(zhǎng)很小，高頻信號(hào)以波的形式通過電纜傳播。因此，此類信號(hào)在不同介質(zhì)之間傳播時(shí)會(huì)遭受反射和功率損耗（波動(dòng)理論）。在電路的情況下，當(dāng)信號(hào)（波）通過具有不同特性阻抗的系統(tǒng)組件時(shí)，就會(huì)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(hào)如何在線路中傳輸或反射。RF 組件的阻抗不是直流電阻，對(duì)于傳輸線，可以使用以下公式計(jì)算：

在上面的公式中：

Z?0??= 特性阻抗

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

C??= 射頻傳輸線單位長(zhǎng)度的電容。這也是兩個(gè)導(dǎo)體之間存在的電容

R??= 射頻傳輸線單位長(zhǎng)度的直流電阻

G??= 每長(zhǎng)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(jì)算為：

由于射頻系統(tǒng)中的所有組件都必須進(jìn)行阻抗匹配以最大限度地減少信號(hào)損失和反射，因此組件制造商專門設(shè)計(jì)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(chǎng)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(cè)試系統(tǒng)中的其他儀器都是阻抗匹配的，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

插入損耗

如果信號(hào)傳輸?shù)膫鬏斁€長(zhǎng)度大于其自身波長(zhǎng)的 0.01，則信號(hào)中會(huì)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(hào)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(jì)算在該頻率下打開信號(hào)引起的功率損耗或電壓衰減。

功率損耗計(jì)算公式：

電壓衰減計(jì)算公式：

要理解插入損耗的概念，請(qǐng)將開關(guān)或繼電器視為低通濾波器?，F(xiàn)實(shí)世界中的每個(gè)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(huì)衰減和降級(jí)開關(guān)用于路由的信號(hào)。這些元件引起的功率損耗和電壓衰減隨輸入信號(hào)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(lái)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(gè)比較兩個(gè)開關(guān)對(duì)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(gè) 3 GHz 視頻信號(hào)路由到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的一個(gè)通道，衰減小于 30%（插入損耗在 3 GHz 時(shí)應(yīng)小于 3 dB）。考慮的第一個(gè)開關(guān)是 NI PXI-2557 75 Ω 2.5 GHz 8x1 多路復(fù)用器，而第二個(gè)是來(lái)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(gè)模塊的更高級(jí)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(duì)這兩種產(chǎn)品進(jìn)行仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)，這種假設(shè)并不成立。下圖顯示了在兩個(gè)交換機(jī)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(shí)，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(jì)算出兩個(gè)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(shí)會(huì)衰減至 0.817 V?pp。當(dāng)同一信號(hào)通過來(lái)自其他 PXI 供應(yīng)商的 3 GHz 75 Ω 多路復(fù)用器時(shí)，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(hào)衰減明顯高于 NI PXI-2557 引起的信號(hào)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(duì)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(hào)在通過傳輸線或電纜時(shí)采用波的形式和形狀。出于這個(gè)原因，就像在聲波和光波的情況下一樣，當(dāng)信號(hào)穿過不同的介質(zhì)（例如阻抗不匹配的組件）時(shí)會(huì)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(shí)際繼電器本身之間。因?yàn)?VSWR 是反射波功率的量度，它也可用于測(cè)量傳輸線中的功率損耗量。當(dāng)與輸入信號(hào)相加時(shí)，反射波會(huì)增加或減少其凈幅度，這取決于反射與輸入信號(hào)是同相還是異相。“駐波”模式中最大（當(dāng)反射波同相時(shí)）與最?。ó?dāng)反射波異相時(shí)）電壓的比率稱為 VSWR。要了解如何計(jì)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(gè)原因，通過傳輸線傳播的信號(hào)的某些部分會(huì)從負(fù)載反射回來(lái)。我們可以使用以下公式測(cè)量這種反射：

如您所見，回波損耗是反射信號(hào)功率的量度。它也是插入損耗的一個(gè)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(cè)量信號(hào)反射的方法。它可以計(jì)算為：

在上式中，┏?是反射系數(shù)，可以使用以下公式計(jì)算：

對(duì)于圖 6 中的電路，我們計(jì)算 VSWR 為：

為了形象化本例中發(fā)生的情況，讓我們假設(shè)來(lái)自 RF 系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)分別同相和異相 180 度時(shí)產(chǎn)生的合成信號(hào)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(gè)定義，我們可以從圖 7 中計(jì)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?yàn)闉?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(hào)。但是，一個(gè)供應(yīng)商可以接受的可能對(duì)另一個(gè)供應(yīng)商來(lái)說是不可接受的。因此，例如來(lái)自供應(yīng)商 A 的 3 GHz 交換機(jī)可能與來(lái)自供應(yīng)商 B 的 3 GHz 交換機(jī)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(gè)模塊的示例。第一個(gè)模塊 NI PXI-2557，是一個(gè) 2.5 GHz 8x1 多路復(fù)用器，具有 75 Ω 特性阻抗；來(lái)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(lái)第二個(gè)模塊更適合路由 2 到 3 GHz 之間的信號(hào)，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(gè)原因，NI 模塊的帶寬規(guī)范比其對(duì)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(diǎn)對(duì)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(shí)際上是儀器模擬前端的 -3 dB 點(diǎn)。然而，對(duì)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(shí)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(gè)例子，圖中顯示了 NI PXI-2547 在其帶寬 (2.7 GHz) 及其 -3 dB 點(diǎn) (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(shí)要考慮的最重要的特性之一。選擇具有錯(cuò)誤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)會(huì)對(duì)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(gè)輸入依次路由到一個(gè)輸出，反之亦然。SPDT 繼電器是多路復(fù)用器的縮小版本。單個(gè) SPDT 繼電器可以將兩個(gè)輸入路由到一個(gè)輸出，反之亦然。RF 多路復(fù)用器通常由多個(gè) 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(duì) 4 通道被測(cè)設(shè)備 (DUT) 進(jìn)行激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試，您可以使用帶有兩個(gè)獨(dú)立 4x1 多路復(fù)用組的模塊。另一方面，對(duì)于從八個(gè)獨(dú)立 DUT 的輸出進(jìn)行分析的測(cè)試，具有單個(gè) 8x1 組的模塊會(huì)更可取。由于市場(chǎng)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(jí)聯(lián)兩個(gè) 4x1 多路復(fù)用器以構(gòu)建單個(gè) 7x1 多路復(fù)用器。這種設(shè)置的缺點(diǎn)是它需要來(lái)自 DUT 的信號(hào)在到達(dá)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 之前通過兩個(gè)開關(guān)模塊（總共四個(gè) SPDT 繼電器）。因此，信號(hào)路徑中出現(xiàn)的凈插入損耗現(xiàn)在是系統(tǒng)中每個(gè)單獨(dú)繼電器和電纜的單獨(dú)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(gè) DUT 路由到 VNA。這種配置將改善系統(tǒng)插入損耗，不僅因?yàn)樗鼫p少了信號(hào)路徑中的 SPDT 繼電器總數(shù)（三個(gè) SPDT 繼電器而不是四個(gè)），而且還因?yàn)樗讼到y(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(gè)系統(tǒng)中到達(dá) VNA 的信號(hào)質(zhì)量很可能比第一個(gè)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(hào)的幅度。串?dāng)_被定義為耦合在電路（例如射頻模塊上的單獨(dú)多路復(fù)用器組）之間的信號(hào)幅度。

上升時(shí)間

如果信號(hào)是純正弦信號(hào)，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(duì)于具有多個(gè)頻率分量的信號(hào)，例如方波，這可能并不那么簡(jiǎn)單，因?yàn)楸３执祟愋盘?hào)的完整性取決于開關(guān)對(duì)信號(hào)上升時(shí)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(cè)量結(jié)果，開關(guān)的帶寬必須足夠高，以使所有單個(gè)正弦波的衰減最小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于方波，一旦第 5次?? 或第7次達(dá)到諧波，上升時(shí)間的變化最小。因此，一般來(lái)說，如果開關(guān)的 -3 dB 點(diǎn)（該點(diǎn)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(shí)間。如果是這種情況，請(qǐng)檢查以確保開關(guān)模塊的上升時(shí)間規(guī)格小于需要以最小失真路由的最高諧波的上升時(shí)間。

下圖顯示了方波5次諧波的上升時(shí)間測(cè)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(hào)，我們需要將開關(guān)的上升時(shí)間與諧波的上升時(shí)間進(jìn)行比較。有時(shí)此規(guī)范不適用于開關(guān)模塊。在這種情況下，我們可以計(jì)算此諧波的 -3 dB 點(diǎn)并將其與開關(guān)的 -3 dB 點(diǎn)進(jìn)行比較。-3 dB 點(diǎn)可以使用以下公式從上升時(shí)間計(jì)算：

, 其中 t?R是開關(guān)模塊的上升時(shí)間

對(duì)于上圖所示的信號(hào)，我們計(jì)算達(dá)到 -3 dB 時(shí)的頻率為 6.36 Hz（上升時(shí)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(wàn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)比 200 MS/s 更快的實(shí)時(shí)采樣率。但是，2 GHz RF 開關(guān)可以路由 2 GHz 以上的信號(hào)，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(lái)顯示整個(gè)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