射頻開關(guān)（RF Switch）基礎(chǔ)之開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計
在《[射頻開關(guān)（RF Switch）基礎(chǔ)]》討論了高頻信號中信號衰減的發(fā)生方式和原因。它還討論了造成這種性能下降的兩個主要原因：線路中的功率耗散和傳輸線路中的反射引起的功率損耗。然而，迄今為止所有的討論和解釋都是從單個模塊的角度進(jìn)行的。在典型的射頻系統(tǒng)中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由多個模塊和電纜組成。這些網(wǎng)絡(luò)可以用具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊以多種布置方式構(gòu)建。要了解如何為您的 RF 系統(tǒng)設(shè)計最佳布置，了解不同的 RF 開關(guān)拓?fù)浞浅Ｖ匾?/p>
在討論可用拓?fù)浼捌鋵ο到y(tǒng)插入損耗和電壓駐波比 (VSWR) 規(guī)格的影響之前，讓我們回顧一下前一章中的關(guān)鍵概念。插入損耗是線路中發(fā)生的總功率損耗的累積量度。它是離開傳輸線的信號功率與進(jìn)入傳輸線的信號功率的對數(shù)比。傳輸線對特定頻率信號造成的電壓衰減和功率損耗可以使用其插入損耗規(guī)格來計算。下圖可在 NI PXI-2548 Quad SPDT Relay 模塊的規(guī)格文檔中找到，顯示其插入損耗性能。
使用該圖中的數(shù)據(jù)，我們可以推導(dǎo)出開關(guān)在 2 GHz 1 Vp-p 1 W 正弦波上造成的功率損耗和電壓衰減為：
電力流失：
電壓衰減：
因此，上述信號通過 NI PXI-2548 時的功率損耗為 0.09 W，電壓衰減為 0.046V。
電壓駐波比或 VSWR 是另一種規(guī)格，通常在 RF 開關(guān)的數(shù)據(jù)表或規(guī)格文件中列出。VSWR 是測量由于阻抗不匹配而在開關(guān)模塊中發(fā)生的信號反射。
由于 VSWR 和插入損耗累積提供有關(guān)傳輸線對信號造成的凈衰減的信息，因此在為您的應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品時，它們都是需要考慮的重要規(guī)格。然而，了解射頻開關(guān)的 VSWR 和插入損耗有時是不夠的。RF 系統(tǒng)通常需要復(fù)雜的交換網(wǎng)絡(luò)來將信號從一個點路由到另一個點。
這些網(wǎng)絡(luò)通常不僅包括許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能不同的射頻開關(guān)，而且還包括長度不同的連接器和電纜。因此，為了最大限度地減少 RF 應(yīng)用中的信號衰減，設(shè)計高效的開關(guān)系統(tǒng)非常重要。這樣做需要深入了解射頻開關(guān)拓?fù)湟约叭绾螌⑺鼈兘M合起來構(gòu)建開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
--- 射頻開關(guān)拓?fù)?/strong>
存在的兩種主要射頻開關(guān)拓?fù)漕愋褪嵌嗦窂?fù)用器和通用繼電器?？梢詫⑦@兩種射頻開關(guān)組合在一起，構(gòu)建大型復(fù)雜的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
通用射頻繼電器模塊通常由 C 型 (SPDT) 繼電器組成，通常用于在 2 個地方之間路由信號。例如，如果需要使用射頻分析儀分析信號，然后通過天線將其廣播到多個位置，則可以使用單個 SPDT 中繼將其路由到兩個位置。
多路復(fù)用器是按順序?qū)⒍鄠€輸入路由到單個輸出或反之亦然的設(shè)備。多路復(fù)用器非常適合增加復(fù)雜且昂貴的儀器（例如射頻分析儀和發(fā)生器）的通道數(shù)。多路復(fù)用器有用的一個例子是在生產(chǎn)車間測試大量生產(chǎn)的 RF 設(shè)備（如手機）的功能。假設(shè)這些設(shè)備以 100 個為一組進(jìn)行測試。在這種情況下，將射頻分析儀專用于測試每部手機的成本過高，因為這將需要 100 臺射頻儀器，其成本可能從幾每個幾千到幾十萬。
進(jìn)行此測試的另一種方法是手動將所有 100 個設(shè)備一次一個地路由到單個 RF 儀器。雖然這條路線比擁有多個射頻儀器更實惠，但它會顯著增加測試時間。為該特定制造商設(shè)置的最佳測試設(shè)置是構(gòu)建一個自動射頻測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 100x1 多路復(fù)用器自動將 100 部手機路由到射頻分析儀，射頻分析儀進(jìn)行測量并使用軟件以適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯λ?/p>
通常，多路復(fù)用器可以使用多個 SPDT 繼電器構(gòu)建。出于這個原因，多路復(fù)用器的插入損耗通常高于其 SPDT 對應(yīng)的插入損耗，因為多路復(fù)用器的插入損耗是包含在其中的單個 SPDT 繼電器的插入損耗以及其插入損耗的總和。在這些 SPDT 繼電器之間路由信號的 PCB 走線。
可以看出，在上圖中，一個信號在PXI-2548通用射頻開關(guān)模塊中必須經(jīng)過的SPDT繼電器數(shù)量為1個。因此，該模塊的插入損耗幾乎等于 SPDT 繼電器本身的插入損耗。但是，對于 PXI-2547，信號必須通過 3 個 SPDT 以及將這些 SPDT 連接在一起的 PCB 走線。因此，PXI-2547 的插入損耗將是每個單刀雙擲繼電器插入損耗的三倍以上。
當(dāng)今市場上有多種現(xiàn)成的 RF 通用和多路復(fù)用器開關(guān)模塊。這些現(xiàn)成的解決方案要么使用通常稱為“罐”的同軸開關(guān)構(gòu)建，要么使用印刷電路板 (PCB) 繼電器。同軸開關(guān)或“罐”在其機械外殼中包含整個射頻傳輸線。
另一方面，使用 C 型 (SPDT) PCB 繼電器構(gòu)建的模塊使用 PCB 走線連接焊接到 PCB 的各個繼電器。盡管使用 PCB 繼電器構(gòu)建的 RF 開關(guān)模塊成本較低，但它們通常比同軸開關(guān)具有更高的插入損耗和 VSWR 規(guī)格，因為它們使用多個組件（即多個 SPDT 繼電器、PCB 走線、焊料等）將輸入路由到單個輸出。
----如何選擇正確的拓?fù)?/strong>
如上所述，信號路徑越間接，傳輸線中的插入損耗就越大。這個概念不僅適用于每個單獨的開關(guān)模塊，也適用于開關(guān)系統(tǒng)?？紤]一個示例，其中通過級聯(lián) 2 個 PXI-2557 75Ω 2.5 GHz 8x1 多路復(fù)用器構(gòu)建了 16x1 多路復(fù)用器。該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的插入損耗將是每個 PXI-2557 的插入損耗之和（它又是用于構(gòu)建 PXI-2557 的 SPDT 繼電器和 PCB 走線的插入損耗之和）和用于將它們連接在一起的電纜的插入損耗。圖 5 說明了這個概念。
因此，為了最大限度地減少系統(tǒng)中的插入損耗，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)必須促進(jìn)最短的信號路徑。
示例：設(shè)計 7x1 多路復(fù)用器
方法 1：級聯(lián) 2 個 4x1 多路復(fù)用器
構(gòu)建 4x1 多路復(fù)用器的一種方法是通過將第一個多路復(fù)用器的 COM 連接到第二個多路復(fù)用器的輸入通道來級聯(lián)兩個 4x1 多路復(fù)用器。這種設(shè)計存在一些重大缺陷，可能會導(dǎo)致測量和測試結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重差異。也許這種設(shè)計的最大缺點是信號路徑的長度因通道而異。
例如，來自被測設(shè)備 (DU1) 1 的信號在到達(dá) RF 信號分析儀之前必須通過 4 個 SPDT 繼電器。因此，DUT 1 信號路徑中的損耗將是所有 4 個 SPDT 繼電器和連接兩個獨立模塊的電纜中發(fā)生的損耗之和。
另一方面，來自 DUT 7 的信號只需通過 2 個 SPDT 繼電器，因此損失更少。除了通道間的插入損耗變化之外，信號反射也會不同。由于來自 DUT 1 的信號必須通過多個模塊和電纜，因此它也必須通過多個連接器傳播。因為連接器和電纜或開關(guān)模塊之間總是存在微小的阻抗差異，所以會發(fā)生反射。
信號必須通過的連接器數(shù)量越多，系統(tǒng)中的反射就越大。因此，上述系統(tǒng)的 DUT 1 上發(fā)生的反射將遠(yuǎn)大于 DUT 7 上的反射。因為在實際測試系統(tǒng)中，保持測試所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系統(tǒng)將不適用。由于來自 DUT 1 的信號必須通過多個模塊和電纜，因此它也必須通過多個連接器傳播。因為連接器和電纜或開關(guān)模塊之間總是存在微小的阻抗差異，所以會發(fā)生反射。信號必須通過的連接器數(shù)量越多，系統(tǒng)中的反射就越大。
因此，上述系統(tǒng)的 DUT 1 上發(fā)生的反射將遠(yuǎn)大于 DUT 7 上的反射。因為在實際測試系統(tǒng)中，保持測試所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系統(tǒng)將不適用。由于來自 DUT 1 的信號必須通過多個模塊和電纜，因此它也必須通過多個連接器傳播。因為連接器和電纜或開關(guān)模塊之間總是存在微小的阻抗差異，所以會發(fā)生反射。
信號必須通過的連接器數(shù)量越多，系統(tǒng)中的反射就越大。因此，上述系統(tǒng)的 DUT 1 上發(fā)生的反射將遠(yuǎn)大于 DUT 7 上的反射。因為在實際測試系統(tǒng)中，保持測試所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系統(tǒng)將不適用。
信號必須通過的連接器數(shù)量越多，系統(tǒng)中的反射就越大。因此，上述系統(tǒng)的 DUT 1 上發(fā)生的反射將遠(yuǎn)大于 DUT 7 上的反射。因為在實際測試系統(tǒng)中，保持測試所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系統(tǒng)將不適用。信號必須通過的連接器數(shù)量越多，系統(tǒng)中的反射就越大。因此，上述系統(tǒng)的 DUT 1 上發(fā)生的反射將遠(yuǎn)大于 DUT 7 上的反射。因為在實際測試系統(tǒng)中，保持測試所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系統(tǒng)將不適用。
方法 2：使用具有固有 8x1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊
這種方法使用一個固有的 8x1 多路復(fù)用器來路由來自所有七個 DUT 的信號。由于在這種情況下整個系統(tǒng)都包含在一個模塊中，因此最大限度地減少了外部電纜和額外連接器的使用。此外，源自 DUT 1 和 DUT 7 的信號將具有完全相同的路徑長度。因此，對于這種設(shè)置，插入損耗和信號反射將是最小的。盡管始終建議盡可能使用固有拓?fù)?，但通常很難找到現(xiàn)成的大型多路復(fù)用器。
方法三：使用SPDT繼電器搭建7x1多路復(fù)用器
雖然這種構(gòu)建 7x1 多路復(fù)用器的方法不如使用固有的 8x1 多路復(fù)用器有效，就像過去的例子一樣，但它在設(shè)計上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于方法 1 中內(nèi)置的系統(tǒng)。這是因為它使用了 Quad SPDT 模塊將來自兩個 4x1 多路復(fù)用器的信號路由到 RF 信號分析儀。通過這樣做，交換網(wǎng)絡(luò)允許 7x1 多路復(fù)用器的每個通道上的路徑長度相等。因此，雖然信號反射和插入損耗會比方法 2 中的系統(tǒng)高，但對于所有通道來說都是一致的。
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拓?fù)?/span>
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