配置一個最佳的RF/微波開關系統

隨著通信業的高速增長，組成這些不同通信系統的各種元器件的測試量也隨之有了巨大增長。這些產品的測試要求和步驟均有較大的不同，所有的測試必須在非常高的頻率（GHz以上）下進行。一套典型的測試系統主要包括DC基準電壓、DC測量、RF功率計、網絡分析儀等。將測試過程自動化以及改善測試效率要求將RF/微波以及低頻開關系統融入到測試系統中。

　　開關的目的是將信號從測量儀器傳輸至待測設備（DUT）中。使用開關，一臺儀器能夠測量多個DUT，多臺儀器也可以通過開關測試一個DUT，或者多個儀器測試多個DUT。因此開關系統的使用能夠自動地執行測試過程。

　　本文簡要討論了配置一個高頻開關系統的幾個重要方面，包括系統配置和重要的開關指標的選擇。
開關系統的配置

　　開關系統可以非常簡單，也可以相當復雜。例如，一個單刀雙擲開關（SPDT）可以將信號切換至兩個不同的DUT上。可以將其擴展，形成一個"多路復用器"配置，使單個儀器可以切換至多個不同的DUT上。也可以是多個儀器對多個DUT。在這種情況下，開關系統可以是多路復用器或一個矩陣，在某個時刻，只能傳輸一路信號。圖1給出了一個SPDT和一個1×16的多路復用器的結構。

　　為了增加測試的靈活性，開關系統可以將多個儀器與多個DUT相連接。這個被稱之為"blocking"配置。在任一時刻，任何儀器僅可以與一路輸出相連。圖2給出一個4×4的blocking開關系統。

　　為了在任意時刻將任何信號切換至任何DUT，可以使用非blocking方式的配置（有時稱之為一個開關矩陣）。這種開關配置具備高的靈活性，但成本也是最高的。圖3給出了一個4×4的非blocking的開關配置，圖4給出了一個擴展的4×6開關配置。

選擇重要的開關指標

　　開關的使用會不可避免地影響測量系統的性能，所以考慮幾個能影響系統性能的關鍵參數是很重要的。在配置開關時有兩種類型的參數需要考慮：電性能指標和機械性能指標。

　　電性能指標
　　（1）阻抗匹配：開關是測量儀器和待測設備之間的一套儀器， 3個系統中(開關、測量儀器、待測設備)所有的阻抗必須匹配。對于最佳的信號傳輸，源的阻抗應等于開關和DUT的阻抗。在RF測試中，使用不同的阻抗級可達到不同的目的。最常用的阻抗級是50Ω。對于更好的功率傳送，阻抗可低至30Ω。為了使RF信號衰減量更少，使用的典型阻抗是75Ω。不論要求什么樣的阻抗級，適當的阻抗匹配將會保證整個系統完整性。

　　（2）插入損耗：任何在信號傳輸線上的元器件都會導致信號的損耗。尤其是在頻率更高或者共振頻率點上損失會更大。當信號低或者噪聲大的時候，插入損耗是相當重要的技術指標。插入損耗反映出在DUT上的實際功率與測試儀器源值相比的一個衰減程度。一般來說，它被指定為在某一頻率上或者在一個頻率范圍之內輸出功率與輸入功率的一個比值。
　　　　　　Insertion Loss(dB)=-10log(Pout/Pin)

　　（3）通道隔離：在更高的頻率點上，不同通道上傳送的信號會因通道之間的電容耦合或者電磁輻射而產生相互干擾，這被稱為"crosstalk"。當一個弱信號通道在一個強信號通道鄰近時，crosstalk會產生很大影響。為了使信號通道之間保持足夠的隔離，應該使用隔離測量。

　　（4）電壓駐波比（VSWR）：任何在高頻信號通道上的元器件不僅會產生插入損耗，也會導致信號傳送線上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的。這種干涉經常是系統中不同部分的阻抗不匹配或者是系統中連接點的阻抗不匹配造成的。駐波比定義為信號中駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。在工程上VSWR經常表示為回波損失：
　　　　　Return Loss(dB)=-20log[(VSWR-1)/(VSWR+1)]

　　（5）信號濾波器：在很多情況下，噪聲會不可避免地加入到傳送信號中，因此信號濾波器是很有用的。如果原始信號頻率不適合DUT測試頻率，濾波器可被加到開關中以消除噪聲或者限制傳送信號的帶寬。

　　（6）相位失真：隨著測試系統尺寸的擴大，從相同的信號源出來的信號可能會通過不同的途徑傳送至DUT。這個指標通常被稱之為傳送延遲。對一個給定的傳導介質，延遲是與信號路徑長度成正比的。不同的信號路徑長度將會導致信號相位移動。相移會導致錯誤的測量結果。因此，要使用保證相同相移或相同傳送速度的技術以消除這種影響。

　　（7）可靠性和可重復性：開關的可靠性是一個重要的因素。一般來說，一個開關繼電器應該具有至少一百萬次的壽命時間；很多繼電器都有五百萬次的壽命時間。
可重復性是對開關系統進行重復使用時，測量插入損耗的變化和相移的變化情況，同樣是一個重要因素。

機械指標

　　（1）外形尺寸：這取決于用戶不同的應用情況，開關外形尺寸可能會限制開關系統的選擇。對于一個小開關，一個小盒子就可以了。例如Keithley的7999－4型微波開關是一個RS232控制的SPDT開關，帶有一個小的金屬框架。對于一個中等數量信號路數的開關系統，Keithley的7001系統是一個合適的選擇。再大的系統，可能會需要7002型的10槽的系統。

　　（2）連接器和電纜：在RF/微波開關系統中可以使用很多種類型的連接器和電纜。在選擇連接器和電纜時，應當考慮信號頻率、系統阻抗、測試夾具和機械手接口。

　　（3）開關狀態顯示：在系統建立和調試時，開關機箱應提供一個LED顯示以指示開/關狀態。

其他相關考慮

　　除了RF/微波開關系統的電氣和機械規格以外，還需要仔細考慮幾個會影響系統性能的因素。

　　（1）在高頻處，所有信號必須要被適當終止，否則電磁波會從終止點處反射，從而導致VSWR的增加。如果反射部分足夠大，甚至有可能損壞源。一般來說，所用同軸電纜是在50Ω時終止信號。對于其他類型的通信系統，信號在75Ω時被終止。

　　（2）帶寬：大部分開關系統用戶希望開關的帶寬盡可能寬。然而，寬帶寬的開關比較昂貴。如果一個窄帶寬的開關能夠達到同樣的目的，則成本會顯著降低。另外一個要考慮的因素是使用高頻時，帶寬取決于系統所用的連接器和電纜，為保證足夠的系統性能，需要使用性能高的連接器和電纜。

　　（3）功率傳送：另外一個重要的考慮是系統傳送RF功率（從儀器至DUT）的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。有時候，又可能需要減少信號至DUT上的功率。使用放大器或衰減器可保證將精確的信號功率值傳送至開關系統。