測試系統阻抗匹配與開(kāi)關(guān)質(zhì)量的評價(jià)

如果已知駐波的最大幅值和最小幅值，那么圖4中系統的VSWR就可以按照下式計算出來(lái)了：

VSWR還可以用于計算信號的回波損耗：

總的傳輸線(xiàn)損耗通常等于導線(xiàn)上的功率損耗(也稱(chēng)為傳導損耗或電阻損耗)和系統內阻抗失配引起反射導致的損耗。在如圖6所示的射頻系統中，50-W的源和負載通過(guò)一條1m、75-W的同軸電纜連接在一起。在這個(gè)例子中，總的功率反射是由兩個(gè)阻抗不連續點(diǎn)導致的，第一個(gè)點(diǎn)位于源和傳輸線(xiàn)之間，第二個(gè)點(diǎn)位于傳輸線(xiàn)和負載之間。

即使假設圖6中的傳輸線(xiàn)是無(wú)損的，圖7中左邊的圖表示介入損耗也多達0.7dB，這一損耗僅僅是由系統中的阻抗不連續而造成的。該圖中波峰和波谷之間的距離主要取決于所用線(xiàn)纜的長(cháng)度。圖7中右邊的圖假設傳輸線(xiàn)有一定的傳導和電阻損耗。該圖中曲線(xiàn)的斜率表示該線(xiàn)纜的傳導和介電損耗，而曲線(xiàn)的波紋是由于回波損耗隨頻率的變化而造成的(在這個(gè)例子中多達0.7dB)。

反射現象不僅出現在不匹配的射頻系統中，而且出現在不匹配的射頻系統元件中。因此，阻抗匹配不僅僅是最終用戶(hù)需要考慮的問(wèn)題，而且也是射頻儀器和器件(例如發(fā)生器、分析儀和開(kāi)關(guān))的制造商需要考慮的問(wèn)題。例如，一個(gè)PXI射頻開(kāi)關(guān)是由多個(gè)不同的元件組成的，包括PCB(Printed-Circuit-Board，印制電路板)線(xiàn)路、內部線(xiàn)纜和射頻繼電器。其中任何元件之間的阻抗失配都會(huì )嚴重影響開(kāi)關(guān)的VSWR和回波損耗指標。由于各個(gè)廠(chǎng)商在射頻開(kāi)關(guān)模塊的設計和元器件的選擇上各有不同，因此我們必須檢查最終產(chǎn)品的VSWR和介入損耗這兩項指標，以確?？赡苡砷_(kāi)關(guān)引起的信號反射幅值符合要求，并且要分析介入損耗的大小，判斷該射頻開(kāi)關(guān)模塊是否能夠滿(mǎn)足特定測試系統的需要。

高性能的射頻開(kāi)關(guān)在選擇元器件和設計方案時(shí)會(huì )盡可能地減少阻抗失配，保證盡可能小的介入損耗和反射，以減少高頻下的測量誤差。射頻開(kāi)關(guān)中實(shí)際使用的繼電器的品質(zhì)對整個(gè)開(kāi)關(guān)的性能有很大的影響。制造射頻開(kāi)關(guān)模塊時(shí)最常用的兩種繼電器是PCB裝配的繼電器和同軸開(kāi)關(guān)。

PCB裝配的繼電器有多種可能的配置，其中有一種是Form C SPDT(single-pole double-throw，單刀雙擲)繼電器。將多個(gè)SPDT繼電器安裝在一個(gè)PCB上可以構成更大規模的開(kāi)關(guān)，例如多選開(kāi)關(guān)(SP4T以及更多的擲數)或者開(kāi)關(guān)矩陣。例如，美國國家儀器公司(www.ni.com)提供的PXI-2547型50-W、2.7GHz、8 1多選開(kāi)關(guān)就是由七個(gè)Form C PCB裝配的SPDT繼電器構成的。

多個(gè)廠(chǎng)商都能夠生產(chǎn)用于構建多選開(kāi)關(guān)的PCB裝配式繼電器，其中某些型號的性能可達幾個(gè)GHz。由于在PCB的裝配設計中，繼電器的引線(xiàn)是焊接在PCB上的，因此開(kāi)關(guān)模塊的制造商必須采用一種阻抗受控的方式將I/O連接器與繼電器連接在一起。這需要使用具有合適幾何結構及適當長(cháng)度的PCB布線(xiàn)，以及高品質(zhì)的連接器和線(xiàn)纜。采用50-W PCB布線(xiàn)的75-W開(kāi)關(guān)模塊就是一個(gè)設計糟糕的模塊實(shí)例。由于PCB布線(xiàn)和用于構成開(kāi)關(guān)的其他元件之間存在阻抗失配，所以這種產(chǎn)品對于高頻信號會(huì )引起嚴重的功率損耗。因此，制造開(kāi)關(guān)的設計專(zhuān)家對于使用PCB裝配器件方式構成的開(kāi)關(guān)模塊的性能有著(zhù)至關(guān)重要的影響。盡管繼電器的內部阻抗無(wú)法改變，但是采用適當的設計技術(shù)能夠最大限度地減少由于阻抗不連續而導致的反射問(wèn)題。NI公司的PXI-2547(如圖8所示)采用了精心的設計方案，將介入損耗控制在3dB以下(在2.7GHz的帶寬下，介入損耗通常低于1.6dB)。

使用同軸開(kāi)關(guān)或“罐”式結構的模塊相比基于PCB元件裝配的方式具有更大的性能優(yōu)勢。由于整個(gè)射頻傳輸通路都包含在外殼中，由同軸連接器提供與測試信號的接口，因此同軸開(kāi)關(guān)能夠實(shí)現較低的介入損耗。但是，這種結構的成本比PCB裝配的繼電器更高，同時(shí)占用的系統空間也更大。美國國家儀器公司的PXI-2596型26.5-GHz 雙6 1多選開(kāi)關(guān)就采用了同軸開(kāi)關(guān)的結構，它在26.5GHz頻率下的介入損耗低于0.6dB。

如前所述，開(kāi)關(guān)模塊的設計在PCB裝配式開(kāi)關(guān)模塊的設計中尤為重要，這是因為：與同軸開(kāi)關(guān)不同，這種模塊中與繼電器的接口是通過(guò)分開(kāi)的線(xiàn)纜和PCB布線(xiàn)實(shí)現的。連接器通常會(huì )導致信號反射，因此在選擇連接器時(shí)必須十分慎重。對于大多數PCB裝配式設計，某個(gè)模塊需要工作的最高頻率決定了所使用的連接器類(lèi)型。SMA連接器具有尺寸小、性能高的特點(diǎn)，常用于大多數50-W的應用。它們具有50-W的特性阻抗，不適合用于75-W的開(kāi)關(guān)模塊中。

在設計PCB裝配式開(kāi)關(guān)模塊時(shí)，也必須考慮PCB布線(xiàn)的影響。PCB布線(xiàn)的阻抗必須與繼電器和連接器的阻抗相匹配，它的大小取決于銅線(xiàn)的幾何結構以及所使用的介質(zhì)材料。開(kāi)關(guān)模塊PCB設計中最常用的傳輸線(xiàn)類(lèi)型包括微帶、帶狀線(xiàn)和CPW(Coplanar Waveguide，共面波導)。每種類(lèi)型都有其優(yōu)勢和弱點(diǎn)。例如，帶狀線(xiàn)比微帶線(xiàn)具有更好的隔離度。但是，由于帶狀線(xiàn)需要在信號布線(xiàn)層的上面和下面都設置接地面，因此它需要采用通孔(很難實(shí)現阻抗匹配)來(lái)實(shí)現較好的電氣連接性能。CPW在不同的布線(xiàn)寬度下能夠保持特性阻抗不變，但是它與接地面的間隙寬帶必須做相應地變化。

上述各個(gè)因素對于射頻開(kāi)關(guān)系統的設計是非常重要的。選擇高品質(zhì)的射頻產(chǎn)品對于實(shí)現高性能的射頻測試系統是必不可少的。但是它們不能彌補糟糕的系統設計所帶來(lái)的問(wèn)題。如果在一個(gè)75-W的測試系統中傳輸信號，即使采用最好最昂貴的50-W射頻開(kāi)關(guān)也會(huì )導致嚴重的反射問(wèn)題。因此，實(shí)現高性能的射頻測量系統應該選用阻抗匹配的元件。