論干簧繼電器的管腳形狀對(duì)射頻信號(hào)及阻抗的影響
[導(dǎo)讀]在電子測(cè)試設(shè)備中，干簧繼電器被廣泛采用于切換不同路徑的信號(hào)輸入輸出。在射頻應(yīng)用中的干簧繼電器，器件管腳的優(yōu)化是一個(gè)非常重要的因素，會(huì)直接影響射頻信號(hào)的質(zhì)量。在早些年30MHz已經(jīng)算是高頻的年代，繼電器的管腳是否優(yōu)化設(shè)計(jì)并不會(huì)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，很簡(jiǎn)單的通孔管腳就能夠滿足要...
在電子測(cè)試設(shè)備中，干簧繼電器被廣泛采用于切換不同路徑的信號(hào)輸入輸出。在射頻應(yīng)用中的干簧繼電器，器件管腳的優(yōu)化是一個(gè)非常重要的因素，會(huì)直接影響射頻信號(hào)的質(zhì)量。在早些年 30MHz 已經(jīng)算是高頻的年代，繼電器的管腳是否優(yōu)化設(shè)計(jì)并不會(huì)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，很簡(jiǎn)單的通孔管腳就能夠滿足要求。但是高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某霈F(xiàn)將測(cè)試信號(hào)速率提高到每秒數(shù)十億位，當(dāng)切換這些信號(hào)時(shí)，需要更復(fù)雜的管腳設(shè)計(jì)來(lái)保證信號(hào)的不失真。例如，數(shù)據(jù)流通過(guò) USB3 端口高達(dá) 5 千兆每秒(Gbps)，需要至少 10千兆赫(GHz)的帶寬，以正確地傳輸所有二進(jìn)制開(kāi)關(guān)信號(hào)。
現(xiàn)代高頻干簧繼電器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是使其阻抗盡可能接近 50?歐姆。
我們?cè)谶@里來(lái)看看為什么干簧繼電器的管腳形狀如此重要。在高頻時(shí)，電信號(hào)的表現(xiàn)與接近直流時(shí)不同。高頻信號(hào)如果通過(guò)帶有急劇彎曲的導(dǎo)體，就會(huì)退化，因?yàn)閺澢鷷?huì)讓管腳產(chǎn)生電感性阻抗，并且呈現(xiàn)出隨頻率增加的電阻。結(jié)果，能量反彈到它的產(chǎn)生處，以熱量的形式散失，或者輻射到空中，導(dǎo)致能量散失和信號(hào)失真。
為了在不損壞信號(hào)質(zhì)量的情況下傳輸高頻信號(hào)，需要一根單位長(zhǎng)度的電容-電感比例合適的多導(dǎo)體傳輸線。電容電感比定義了電阻抗，通常設(shè)計(jì)為 50ohm。當(dāng)信號(hào)鏈中的所有元件具有相同的阻抗時(shí)，能最大限度地實(shí)現(xiàn)它們之間的能量傳遞，使高速數(shù)字信號(hào)完整地通過(guò)。因此，要使干簧繼電器在 50 歐姆傳輸線中發(fā)揮有效的作用，它必須有正確匹配的阻抗。
現(xiàn)代高頻干簧繼電器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是使通過(guò)繼電器的整個(gè)信號(hào)路徑，包括其管腳的阻抗盡可能接近 50 歐姆。設(shè)計(jì)管腳的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)信號(hào)從印刷電路板上典型的平面信號(hào)傳輸線傳輸?shù)饺S結(jié)構(gòu)的繼電器時(shí)，要避免阻抗不連續(xù)。此時(shí)可以用到電磁軟件仿真工具來(lái)優(yōu)化管腳的幾何形狀，以最小化阻抗不連續(xù)。
我們?cè)趺粗涝O(shè)計(jì)是否合適?評(píng)判射頻中繼性能的一個(gè)常見(jiàn)指標(biāo)是帶寬，它是射頻功率吞吐量降至 50%的最低頻率，對(duì)應(yīng)于 3 dB 的功率損耗。Coto的表面貼裝繼電器通常帶寬在 6 至 9 GHz 范圍內(nèi)。在這個(gè)系列中有 4 種封裝管腳: J 型彎腳，鷗翼，軸向和球柵陣列(BGA)，從左到右顯示在-圖下面。
下圖顯示了 Coto 的 9814 Form-A 三種不同管腳形狀的繼電器射頻插入損耗曲線。
文中還給出了無(wú)引腳 BGA 形式的 B41 繼電器的插入損耗。因?yàn)檩S向繼電器的引線沒(méi)有彎曲，所以電感很低。因此，它具有最佳的高頻性能，在其-3 dB 點(diǎn)還能夠達(dá)到 6.3 GHz 的帶寬。鷗翼式和 j 型彎曲繼電器，因管腳彎曲電感增加，在-3dB 時(shí)帶寬會(huì)衰減到 5 到 6 GHz 之間。
對(duì)于追求高頻性能而言，最好的做法是使用導(dǎo)波管來(lái)取代電感性導(dǎo)架，這已經(jīng)在 BGA 封裝的繼電器上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)專利性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)信號(hào)傳輸路徑都能維持在 50 歐姆左右，且其 3dB 帶寬可以達(dá)到 9GHz。這種專利設(shè)計(jì)能使阻抗在整個(gè)信號(hào)路徑中保持非常接近 50 歐姆，在-3 dB 時(shí)能達(dá)到9 GHz 的帶寬。
在設(shè)計(jì)階段可以關(guān)注這幾個(gè)不同管腳的優(yōu)劣勢(shì)：
- 軸向繼電器是在有管腳的繼電器中帶寬最大，但需要在電路板上有一個(gè)斷路器來(lái)容納它們；
- 鷗翼繼電器很容易拆焊；
- J 型彎腳占用的空間稍微小一些，但不容易拆焊;
- 無(wú)管腳的 BGA 繼電器具有所有繼電器中最高的射頻帶寬，但每個(gè)開(kāi)關(guān)通道的價(jià)格稍微高一些;
您可以根據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際高頻需求來(lái)進(jìn)行選擇。
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