本文將討論RF和微波切換測(cè)試系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，包括不同的切換方式、RF切換卡的規(guī)格，并協(xié)助測(cè)試工程師提高測(cè)試處理能力、降低測(cè)試成本的RF切換設(shè)計(jì)中所需考慮的問(wèn)題，協(xié)助理解射頻／微波切換系統(tǒng)建構(gòu)中的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保信號(hào)和系統(tǒng)的完整性。
關(guān)鍵的射頻與微波切換測(cè)試
無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)無(wú)線設(shè)備的組件測(cè)試造成很大的沖擊，包括對(duì)組成通 訊系統(tǒng)的各種射頻集成電路（RF IC）和單晶微波集成電路（microwave monolithic IC）的測(cè)試。這些測(cè)試通常需要很高的頻率，普遍都在GHz范圍。本文將討論RF和微波切換測(cè)試系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，包括不同的切換方式、RF切換卡的規(guī) 格，并協(xié)助測(cè)試工程師提高測(cè)試處理能力、降低測(cè)試成本的RF切換設(shè)計(jì)中所需考慮的問(wèn)題。

射頻切換和低頻切換參數(shù)的區(qū)別
將信號(hào)從一個(gè)頻率點(diǎn)切換到另一個(gè)頻率點(diǎn)看似簡(jiǎn)單，但要在切換的同時(shí)達(dá)成極低的 信號(hào)損失，這又該如何實(shí)現(xiàn)？在設(shè)計(jì)低頻和直流（DC）信號(hào)的切換系統(tǒng)都需要考慮它們特有的參數(shù)，包括接觸電位（contact potential）、穩(wěn)態(tài)時(shí)間（settling time）、偏移電流（offset current）和隔離特性等。

高頻信號(hào)，與低頻信號(hào)類似，需要考慮其特有的參數(shù)，而這些參數(shù)，包括電壓駐波 比（voltage standing wave ratio；VSWR）、插入損耗（insertion loss）、帶寬和隔離等等，會(huì)影響切換過(guò)程中的信號(hào)表現(xiàn)。此外，硬件選項(xiàng)，比如端點(diǎn)、連接器類型、繼電器類型，也會(huì)極大地影響這些參數(shù)。

《圖一高頻機(jī)電繼電器示意圖》

切換種類和構(gòu)造
繼電器接頭設(shè)計(jì)
繼電器內(nèi)的電容是限制切換信號(hào)頻率的常見(jiàn)因素。繼電器的材料和物理特性決定了其內(nèi)部電容。舉例來(lái)說(shuō)，電極之間的電容借著耦合電極之間、或是繼電器之間的信號(hào)，降低AC信號(hào)的隔離。

在機(jī)電繼電器（electromechanical relay）中采用了特殊的接頭和架構(gòu)，可協(xié)助高達(dá)40GHz的射頻和微波切換獲得更好的性能。圖一便顯示一個(gè)典型的構(gòu)造，共同端接位在兩個(gè)切換端接之 間。所有信號(hào)的連接線路都是同軸線，以確保最佳的信號(hào)完整性（SI）。在這種情況下，接頭形式采SMA母接頭（female SMA）。對(duì)于更加復(fù)雜的切換結(jié)構(gòu)，共同端子被各個(gè)切換端子放射狀圍繞。



《圖二單通道阻斷（blocking）矩陣和無(wú)阻斷（non-blocking）矩陣示意圖》



兩種切換拓墣和矩陣架構(gòu)
一系列復(fù)雜的切換拓?fù)湓赗F切換中被采用。一個(gè)矩陣式切換器可以連結(jié)每個(gè)輸 入和輸出。兩種類型─阻斷（blocking）和無(wú)阻斷（non-blocking）─的矩陣在微波切換架構(gòu)中被采用。一個(gè)阻斷矩陣可將任意一個(gè)輸入和任 意一個(gè)輸出進(jìn)行連接，并使其他的輸入和輸出無(wú)法同時(shí)緊行連接。這對(duì)同一時(shí)間只需切換到一個(gè)信號(hào)頻率的應(yīng)用，是一個(gè)具成本效益的解決方案。信號(hào)完整性也將更 好，因?yàn)橛休^少的繼電器路徑，尤其避免了相位延遲（phase delay）的問(wèn)題。而無(wú)阻斷矩陣允許多個(gè)路徑同時(shí)連接，這種架構(gòu)具有更多的繼電器和纜線，能提供更有彈性的配置方法，不過(guò)價(jià)格也更高。

《圖三cascade切換架構(gòu)示意圖》

cascade和樹(shù)狀切換架構(gòu)
cascade切換架構(gòu)是多點(diǎn)切換的一種替代形式。它采用多個(gè)繼電器將一個(gè)輸入連接到多個(gè)輸出。路徑長(zhǎng)度（同時(shí)決定了相位延遲）由信號(hào)通過(guò)的繼電器的數(shù)量決定。

樹(shù)形架構(gòu)是cascade切換架構(gòu)的一種替代方案。與cascade架構(gòu)相 比，針對(duì)同樣規(guī)格的系統(tǒng)，樹(shù)形架構(gòu)需要更多的繼電器，因此需把選定的路經(jīng)和其他不用的路經(jīng)之間隔離開(kāi)來(lái)，以協(xié)助降低繼電器和通道之間的交替干擾 （crosstalk）。除此之外，樹(shù)形架構(gòu)也具備一些優(yōu)勢(shì)，包括無(wú)端接殘余（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在選定路經(jīng)上設(shè)有多個(gè)繼電器意味著更大的能量損失，信號(hào)完整性也有待商榷。

《圖四多重切換示意圖（圖示為一個(gè)雙重切換）》

RF切換卡電氣規(guī)格要點(diǎn)
安裝于測(cè)試儀器主機(jī)上的RF切換卡，需要包含許多電氣規(guī)格（electrical specification），以保持信號(hào)的完整性。


? ●交替干擾（crosstalk）：是指不同信道上傳送的信號(hào)之間或信道上信號(hào)與輸出信號(hào)之間產(chǎn)生的寄生電容耦合、電感耦合或電磁輻射。一般用特定負(fù)載阻抗和特定頻率下的分貝數(shù)來(lái)表示。

? ●插入損耗（insertion loss）：是指信號(hào)在切換卡或系統(tǒng)中傳輸時(shí)的衰減，用特定頻率范圍的分貝數(shù)來(lái)表示。當(dāng)信號(hào)低或者噪聲大的時(shí)候，插入損耗是相當(dāng)重要的指標(biāo)。

? ●電壓駐波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是對(duì)信號(hào)在傳輸過(guò)程中反射的測(cè)量，表示為信號(hào)路徑上最高電壓與最低電壓的比值。

? ●信號(hào)帶寬：是信號(hào)進(jìn)行切換、傳輸或者放大處理的有限的頻率范圍。對(duì)于既定的負(fù)載條件，帶寬用-3dB（半功率）定義。

? ●隔離：是鄰近通道功率水平之間的比率，表示為一個(gè)頻率范圍上的分貝數(shù)。


RF切換設(shè)計(jì)大要
設(shè)計(jì)RF切換系統(tǒng)前需額外考慮的關(guān)鍵因素包括以下：

阻抗匹配（Impedance Matching）
若將切換置于量測(cè)儀器和受測(cè)組件（DUT）之間，必須要對(duì)系統(tǒng)中的阻抗進(jìn)行 匹配。為達(dá)成最佳的信號(hào)傳輸，電源的輸出阻抗應(yīng)等于切換、纜線及受測(cè)組件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF測(cè)試中，普遍被使用的阻抗等級(jí)為50和75奧姆。無(wú)論何種阻抗等級(jí)，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵f(xié)助確保整個(gè)系統(tǒng)的完整性。

輸入VSWR和信號(hào)路徑VSWR決定了量測(cè)的精確程度。



《公式一》



如果信號(hào)路徑輸出和儀器輸入具有很好的VSWR，比如1.3：1，不匹配不確定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。

中止（Termination）
在高頻率情況下，所有信號(hào)必須被適當(dāng)?shù)刂兄梗駝t電磁波將從端接上反射，導(dǎo)致VSWR的增加。一個(gè)沒(méi)有端接的切換在中斷狀態(tài)會(huì)增加VSWR，一個(gè)有端接的切換一般需要提供50奧姆的電阻來(lái)匹配連通或中斷狀態(tài)。VSWR增加后，如果反射部分夠大，甚至有可能損壞電源。[!--empirenews.page--]

功率傳輸（Power Transmission）
另一個(gè)重要的考慮是系統(tǒng)從儀器傳送射頻功率至受測(cè)組件的能力。由于插入損耗，信號(hào)常常需要放大。一些應(yīng)用場(chǎng)合，又可能需要減少信號(hào)傳至受測(cè)組件上的功率。使用放大器或衰減器可確保將所需的信號(hào)功率值通過(guò)切換系統(tǒng)傳送。

信號(hào)濾波器（Signal Filters）
信號(hào)濾波器在某些情況下相當(dāng)有用，比如噪聲不小心加到透過(guò)切換傳送的信號(hào)上的時(shí)候。如果原始信號(hào)頻率不適合受測(cè)組件的測(cè)試頻率，濾波器也很有用。在這種情況下，濾波器可被加到切換上以改變信號(hào)帶寬或者濾除不需要的信號(hào)頻率。

相位失真（Phase Distortion）
隨著測(cè)試系統(tǒng)尺寸的擴(kuò)大，來(lái)自相同信號(hào)源的信號(hào)可能會(huì)通過(guò)不同的途徑傳送至 受測(cè)組件，進(jìn)而導(dǎo)致相位失真，通常與傳輸延遲（propagation delay）相關(guān)。對(duì)一個(gè)既定的傳導(dǎo)介質(zhì)，延遲與信號(hào)路徑的長(zhǎng)度成正比。不同的信號(hào)路徑長(zhǎng)度將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。要減少相位失真， 須確保信號(hào)路徑的長(zhǎng)度相同。

（作者為美商吉時(shí)利Keithley首席應(yīng)用工程師）