射頻和微波切換測試系統(tǒng)基礎(chǔ)
[導(dǎo)讀]本文將討論RF和微波切換測試系統(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)助測試工程師提高測試處理能力、降低測試成本的RF切換設(shè)計中所需考慮的問題，協(xié)助理解射頻／微波切換系統(tǒng)建構(gòu)中的各種設(shè)計參
本文將討論RF和微波切換測試系統(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)助測試工程師提高測試處理能力、降低測試成本的RF切換設(shè)計中所需考慮的問題，協(xié)助理解射頻／微波切換系統(tǒng)建構(gòu)中的各種設(shè)計參數(shù)，以確保信號和系統(tǒng)的完整性。
關(guān)鍵的射頻與微波切換測試
無線通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對無線設(shè)備的組件測試造成很大的沖擊，包括對組成通 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）的測試。這些測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)助測試工程師提高測試處理能力、降低測試成本的RF切換設(shè)計中所需考慮的問題。
射頻切換和低頻切換參數(shù)的區(qū)別
將信號從一個頻率點切換到另一個頻率點看似簡單，但要在切換的同時達成極低的 信號損失，這又該如何實現(xiàn)？在設(shè)計低頻和直流（DC）信號的切換系統(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)時間（settling time）、偏移電流（offset current）和隔離特性等。
高頻信號，與低頻信號類似，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，會影響切換過程中的信號表現(xiàn)。此外，硬件選項，比如端點、連接器類型、繼電器類型，也會極大地影響這些參數(shù)。
《圖一高頻機電繼電器示意圖》
切換種類和構(gòu)造
繼電器接頭設(shè)計
繼電器內(nèi)的電容是限制切換信號頻率的常見因素。繼電器的材料和物理特性決定了其內(nèi)部電容。舉例來說，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，降低AC信號的隔離。
在機電繼電器（electromechanical relay）中采用了特殊的接頭和架構(gòu)，可協(xié)助高達40GHz的射頻和微波切換獲得更好的性能。圖一便顯示一個典型的構(gòu)造，共同端接位在兩個切換端接之 間。所有信號的連接線路都是同軸線，以確保最佳的信號完整性（SI）。在這種情況下，接頭形式采SMA母接頭（female SMA）。對于更加復(fù)雜的切換結(jié)構(gòu)，共同端子被各個切換端子放射狀圍繞。
《圖二單通道阻斷（blocking）矩陣和無阻斷（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。一個矩陣式切換器可以連結(jié)每個輸 入和輸出。兩種類型─阻斷（blocking）和無阻斷（non-blocking）─的矩陣在微波切換架構(gòu)中被采用。一個阻斷矩陣可將任意一個輸入和任 意一個輸出進行連接，并使其他的輸入和輸出無法同時緊行連接。這對同一時間只需切換到一個信號頻率的應(yīng)用，是一個具成本效益的解決方案。信號完整性也將更 好，因為有較少的繼電器路徑，尤其避免了相位延遲（phase delay）的問題。而無阻斷矩陣允許多個路徑同時連接，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，不過價格也更高。
《圖三cascade切換架構(gòu)示意圖》
cascade和樹狀切換架構(gòu)
cascade切換架構(gòu)是多點切換的一種替代形式。它采用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出。路徑長度（同時決定了相位延遲）由信號通過的繼電器的數(shù)量決定。
樹形架構(gòu)是cascade切換架構(gòu)的一種替代方案。與cascade架構(gòu)相 比，針對同樣規(guī)格的系統(tǒng)，樹形架構(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)之間隔離開來，以協(xié)助降低繼電器和通道之間的交替干擾 （crosstalk）。除此之外，樹形架構(gòu)也具備一些優(yōu)勢，包括無端接殘余（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在選定路經(jīng)上設(shè)有多個繼電器意味著更大的能量損失，信號完整性也有待商榷。
《圖四多重切換示意圖（圖示為一個雙重切換）》
RF切換卡電氣規(guī)格要點
安裝于測試儀器主機上的RF切換卡，需要包含許多電氣規(guī)格（electrical specification），以保持信號的完整性。
? ●交替干擾（crosstalk）：是指不同信道上傳送的信號之間或信道上信號與輸出信號之間產(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)來表示。
? ●插入損耗（insertion loss）：是指信號在切換卡或系統(tǒng)中傳輸時的衰減，用特定頻率范圍的分貝數(shù)來表示。當(dāng)信號低或者噪聲大的時候，插入損耗是相當(dāng)重要的指標(biāo)。
? ●電壓駐波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是對信號在傳輸過程中反射的測量，表示為信號路徑上最高電壓與最低電壓的比值。
? ●信號帶寬：是信號進行切換、傳輸或者放大處理的有限的頻率范圍。對于既定的負(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，表示為一個頻率范圍上的分貝數(shù)。
RF切換設(shè)計大要
設(shè)計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）
若將切換置于量測儀器和受測組件（DUT）之間，必須要對系統(tǒng)中的阻抗進行 匹配。為達成最佳的信號傳輸，電源的輸出阻抗應(yīng)等于切換、纜線及受測組件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF測試中，普遍被使用的阻抗等級為50和75奧姆。無論何種阻抗等級，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵f(xié)助確保整個系統(tǒng)的完整性。
輸入VSWR和信號路徑VSWR決定了量測的精確程度。
《公式一》
如果信號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，所有信號必須被適當(dāng)?shù)刂兄?，否則電磁波將從端接上反射，導(dǎo)致VSWR的增加。一個沒有端接的切換在中斷狀態(tài)會增加VSWR，一個有端接的切換一般需要提供50奧姆的電阻來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）
另一個重要的考慮是系統(tǒng)從儀器傳送射頻功率至受測組件的能力。由于插入損耗，信號常常需要放大。一些應(yīng)用場合，又可能需要減少信號傳至受測組件上的功率。使用放大器或衰減器可確保將所需的信號功率值通過切換系統(tǒng)傳送。
信號濾波器（Signal Filters）
信號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切換傳送的信號上的時候。如果原始信號頻率不適合受測組件的測試頻率，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帶寬或者濾除不需要的信號頻率。
相位失真（Phase Distortion）
隨著測試系統(tǒng)尺寸的擴大，來自相同信號源的信號可能會通過不同的途徑傳送至 受測組件，進而導(dǎo)致相位失真，通常與傳輸延遲（propagation delay）相關(guān)。對一個既定的傳導(dǎo)介質(zhì)，延遲與信號路徑的長度成正比。不同的信號路徑長度將會導(dǎo)致信號相位轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。要減少相位失真， 須確保信號路徑的長度相同。
（作者為美商吉時利Keithley首席應(yīng)用工程師）
關(guān)鍵的射頻與微波切換測試
無線通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對無線設(shè)備的組件測試造成很大的沖擊，包括對組成通 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）的測試。這些測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)助測試工程師提高測試處理能力、降低測試成本的RF切換設(shè)計中所需考慮的問題。
射頻切換和低頻切換參數(shù)的區(qū)別
將信號從一個頻率點切換到另一個頻率點看似簡單，但要在切換的同時達成極低的 信號損失，這又該如何實現(xiàn)？在設(shè)計低頻和直流（DC）信號的切換系統(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)時間（settling time）、偏移電流（offset current）和隔離特性等。
高頻信號，與低頻信號類似，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，會影響切換過程中的信號表現(xiàn)。此外，硬件選項，比如端點、連接器類型、繼電器類型，也會極大地影響這些參數(shù)。
《圖一高頻機電繼電器示意圖》
切換種類和構(gòu)造
繼電器接頭設(shè)計
繼電器內(nèi)的電容是限制切換信號頻率的常見因素。繼電器的材料和物理特性決定了其內(nèi)部電容。舉例來說，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，降低AC信號的隔離。
在機電繼電器（electromechanical relay）中采用了特殊的接頭和架構(gòu)，可協(xié)助高達40GHz的射頻和微波切換獲得更好的性能。圖一便顯示一個典型的構(gòu)造，共同端接位在兩個切換端接之 間。所有信號的連接線路都是同軸線，以確保最佳的信號完整性（SI）。在這種情況下，接頭形式采SMA母接頭（female SMA）。對于更加復(fù)雜的切換結(jié)構(gòu)，共同端子被各個切換端子放射狀圍繞。
《圖二單通道阻斷（blocking）矩陣和無阻斷（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。一個矩陣式切換器可以連結(jié)每個輸 入和輸出。兩種類型─阻斷（blocking）和無阻斷（non-blocking）─的矩陣在微波切換架構(gòu)中被采用。一個阻斷矩陣可將任意一個輸入和任 意一個輸出進行連接，并使其他的輸入和輸出無法同時緊行連接。這對同一時間只需切換到一個信號頻率的應(yīng)用，是一個具成本效益的解決方案。信號完整性也將更 好，因為有較少的繼電器路徑，尤其避免了相位延遲（phase delay）的問題。而無阻斷矩陣允許多個路徑同時連接，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，不過價格也更高。
《圖三cascade切換架構(gòu)示意圖》
cascade和樹狀切換架構(gòu)
cascade切換架構(gòu)是多點切換的一種替代形式。它采用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出。路徑長度（同時決定了相位延遲）由信號通過的繼電器的數(shù)量決定。
樹形架構(gòu)是cascade切換架構(gòu)的一種替代方案。與cascade架構(gòu)相 比，針對同樣規(guī)格的系統(tǒng)，樹形架構(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)之間隔離開來，以協(xié)助降低繼電器和通道之間的交替干擾 （crosstalk）。除此之外，樹形架構(gòu)也具備一些優(yōu)勢，包括無端接殘余（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在選定路經(jīng)上設(shè)有多個繼電器意味著更大的能量損失，信號完整性也有待商榷。
《圖四多重切換示意圖（圖示為一個雙重切換）》
RF切換卡電氣規(guī)格要點
安裝于測試儀器主機上的RF切換卡，需要包含許多電氣規(guī)格（electrical specification），以保持信號的完整性。
? ●交替干擾（crosstalk）：是指不同信道上傳送的信號之間或信道上信號與輸出信號之間產(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)來表示。
? ●插入損耗（insertion loss）：是指信號在切換卡或系統(tǒng)中傳輸時的衰減，用特定頻率范圍的分貝數(shù)來表示。當(dāng)信號低或者噪聲大的時候，插入損耗是相當(dāng)重要的指標(biāo)。
? ●電壓駐波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是對信號在傳輸過程中反射的測量，表示為信號路徑上最高電壓與最低電壓的比值。
? ●信號帶寬：是信號進行切換、傳輸或者放大處理的有限的頻率范圍。對于既定的負(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，表示為一個頻率范圍上的分貝數(shù)。
RF切換設(shè)計大要
設(shè)計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）
若將切換置于量測儀器和受測組件（DUT）之間，必須要對系統(tǒng)中的阻抗進行 匹配。為達成最佳的信號傳輸，電源的輸出阻抗應(yīng)等于切換、纜線及受測組件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF測試中，普遍被使用的阻抗等級為50和75奧姆。無論何種阻抗等級，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵f(xié)助確保整個系統(tǒng)的完整性。
輸入VSWR和信號路徑VSWR決定了量測的精確程度。
《公式一》
如果信號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，所有信號必須被適當(dāng)?shù)刂兄?，否則電磁波將從端接上反射，導(dǎo)致VSWR的增加。一個沒有端接的切換在中斷狀態(tài)會增加VSWR，一個有端接的切換一般需要提供50奧姆的電阻來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）
另一個重要的考慮是系統(tǒng)從儀器傳送射頻功率至受測組件的能力。由于插入損耗，信號常常需要放大。一些應(yīng)用場合，又可能需要減少信號傳至受測組件上的功率。使用放大器或衰減器可確保將所需的信號功率值通過切換系統(tǒng)傳送。
信號濾波器（Signal Filters）
信號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切換傳送的信號上的時候。如果原始信號頻率不適合受測組件的測試頻率，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帶寬或者濾除不需要的信號頻率。
相位失真（Phase Distortion）
隨著測試系統(tǒng)尺寸的擴大，來自相同信號源的信號可能會通過不同的途徑傳送至 受測組件，進而導(dǎo)致相位失真，通常與傳輸延遲（propagation delay）相關(guān)。對一個既定的傳導(dǎo)介質(zhì)，延遲與信號路徑的長度成正比。不同的信號路徑長度將會導(dǎo)致信號相位轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。要減少相位失真， 須確保信號路徑的長度相同。
（作者為美商吉時利Keithley首席應(yīng)用工程師）
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