射頻與微波開(kāi)關(guān)系統的設計與應用

　　摘要

　　隨著(zhù)802.11ac和LTE產(chǎn)品的發(fā)展，對相應的功能測試系統也提出來(lái)更高的要求。與測試分析儀器相匹配的開(kāi)關(guān)系統在尺寸，結構形式，性能等多方面均發(fā)生了較大的變化。采用6GHz固態(tài)繼電器作為核心器件，使開(kāi)關(guān)系統的體積更緊湊，切換速度更快，并大幅降低了系統成本。

　　1. 射頻/微波開(kāi)關(guān)系統的技術(shù)特點(diǎn)

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)在軍民各種領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛，與之相應的測試測量工具和技術(shù)也相應迅速發(fā)展。在各種射頻/微波信號測試與仿真系統中，合理部署質(zhì)量可靠、性能穩定、使用方便、價(jià)格適中的開(kāi)關(guān)系統可以大幅提高設備應用效率，擴展系統規模。

　　與低頻開(kāi)關(guān)矩陣系統相比，構建與擴展射頻/微波開(kāi)關(guān)矩陣系統具有獨特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)主要體現在機械結構、電氣性能、使用方法、價(jià)格成本等方面。

　　在面向汽車(chē)電子測試、半導體測試等領(lǐng)域的應用中，廣泛采用的矩陣開(kāi)關(guān)系統通?；诘皖l或射頻繼電器，通過(guò)合理設計PCB來(lái)實(shí)現大規模的矩陣開(kāi)關(guān)系統。繼電器置于行“總線(xiàn)”與列線(xiàn)的交叉點(diǎn)位置，用于建立或斷開(kāi)信號連接，通過(guò)設計不同的行線(xiàn)與列線(xiàn)數量可以實(shí)現不同規模的開(kāi)關(guān)矩陣。在PXI單槽模塊中可承載超過(guò)500個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。下圖1所示為低頻與射頻開(kāi)關(guān)矩陣內部的典型結構。

　　圖1.低頻開(kāi)關(guān)矩陣結構示意圖

　　這類(lèi)開(kāi)關(guān)系統產(chǎn)品規格眾多，用戶(hù)可以根據測試需求直接選擇規模和電氣指標適當的產(chǎn)品，也比較容易通過(guò)多個(gè)模塊相互連接進(jìn)行規模擴展。如上圖，將兩個(gè)模塊的Y1-Y4對應連接即可將2個(gè)132x4規模的開(kāi)關(guān)矩陣組合為1個(gè)264x4的開(kāi)關(guān)矩陣。

　　對于低頻開(kāi)關(guān)矩陣，產(chǎn)品硬件設計的重點(diǎn)是保障良好的導通性能與盡可能高的信號帶寬，提供完備的故障診斷工具并在硬件設計上充分保證用戶(hù)快速維修。

　　而對于射頻與微波應用，開(kāi)關(guān)系統的設計具有其獨特的特點(diǎn)。為了保證射頻性能，一般采用多個(gè)多路復用開(kāi)關(guān)的相互組合來(lái)實(shí)現射頻矩陣，以保持每個(gè)通道的信號完整性。下圖2所示為10GHz 4x4開(kāi)關(guān)矩陣的內部的典型連接關(guān)系示意圖。

　　圖2. 自動(dòng)端接并可擴展的10GHz 4x4微波開(kāi)關(guān)矩陣結構示意圖

　　微波開(kāi)關(guān)矩陣產(chǎn)品內部的特殊結構對矩陣系統的電氣和機械性能產(chǎn)生以下影響：

　　1) 射頻性能：每建立一個(gè)信號通道，微波信號至少需要通過(guò)2個(gè)微波開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和3條微波電纜，使得通道的插入損耗和VSWR升高，因此高性能的器件和良好的裝配工藝可以顯著(zhù)提高最終產(chǎn)品的性能。通常10GHz的4x4矩陣VSWR不高于1:1.6，插入損耗不高于3.6dB。

　　2) 產(chǎn)品機械結構：微波多路復用器器件的尺寸通常比較大，以典型器件Radiall 12.4GHz SP6T微波繼電器為例，其外部尺寸達到了63.5mm X 63.5mm X 60mm，而低頻與射頻繼電器的典型尺寸僅為4.8mm X 7.6mm X 19.1mm，因此大規模微波開(kāi)關(guān)矩陣更適合采用獨立設備的形式。

　　3) 擴展性：低頻開(kāi)關(guān)矩陣的擴展可以采用線(xiàn)路直接并聯(lián)的方式，而射頻與微波開(kāi)關(guān)矩陣在進(jìn)行規模擴展時(shí)必須保持信號通路完整，應通過(guò)擴展端口(Loop-Through)連接兩個(gè)或更多開(kāi)關(guān)設備。如圖2所示，每組SP6T基本單元中有1個(gè)通道用做擴展端口，1個(gè)通道用做自動(dòng)端接器端口，以保證多個(gè)4x4矩陣可以連接組成4x8，8x8等規模。

　　4) 操作：由于微波矩陣內部結構的特殊性，使得用戶(hù)使用時(shí)需要操作的開(kāi)關(guān)數量增加，提高了使用難度，但通過(guò)優(yōu)化的驅動(dòng)軟件，用戶(hù)幾乎可以無(wú)需了解其內部結構。

　　5) 使用成本：微波開(kāi)關(guān)矩陣的價(jià)格昂貴，因此在設計測試系統時(shí)必須嚴格優(yōu)化微波矩陣，將其控制在一個(gè)合理的規模。在進(jìn)行連接時(shí)必須嚴格注意線(xiàn)纜與設備的連接器是否匹配，一旦損壞接口連接器將可能導致高昂的維修費用。

　　2. 案例：802.11ac/LTE MIMO測試中開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的設計

　　近年來(lái)隨著(zhù)802.11a，802.11n，802.11ac等采用5GHz載波的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展，與之性能相匹配的測試產(chǎn)品也不斷進(jìn)步。

　　針對MIMO測試，廣泛采用的是多組VSA與VSG的組合，典型的系統為支持4x4 MIMO的802.11ac測試系統可以在1個(gè)18槽3U PXI系統中實(shí)現。

　　通過(guò)開(kāi)關(guān)系統可以將進(jìn)一步擴展為可支持多個(gè)被測設備的自動(dòng)測試系統

　　一個(gè)解決方案是基于前述微波電磁繼電器(或稱(chēng)機電繼電器)構建微波開(kāi)關(guān)系統。圖3為典型的10GHz 4x4微波矩陣產(chǎn)品解決方案，采用LXI通訊接口，尺寸為2U全尺寸可上架機箱。單價(jià)可達￥150,000。

　　圖3. 4x4 10GHz微波矩陣

　　上述產(chǎn)品曾大規模應用于消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)測試，用戶(hù)對其性能比較滿(mǎn)意，但其尺寸較大，切換速度相對較低，價(jià)格昂貴，這些不利因素限制了其在商用領(lǐng)域應用的空間。在此類(lèi)測試中，對開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求主要體現為：切換速度快，使用壽命長(cháng)，體積小，信號功率較低。6GHz固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)的出現恰使得應用于MIMO測試的開(kāi)關(guān)系統得以進(jìn)一步優(yōu)化。6GHz恰好覆蓋了包括802.11ac在內的各種無(wú)線(xiàn)通訊新技術(shù)的載波頻段，彌補了此前在3GHz到10GHz之間開(kāi)關(guān)矩陣產(chǎn)品的空白。

　　6GHz開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的基本功能單元是由4個(gè)固態(tài)SPDT開(kāi)關(guān)和1個(gè)端接器構成的SP4T多路復用器，如圖4所示。通過(guò)SP4T功能單元的組合構成4x4開(kāi)關(guān)矩陣。固態(tài)繼電器的使用大幅減小了電路的尺寸，并將通道切換速度從毫秒級提高到微秒級。6GHz開(kāi)關(guān)矩陣完全符合當前對新一代無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品的測試需求，其尺寸僅占3個(gè)PXI槽位，價(jià)格僅為原解決方案1/3左右，大大降低了開(kāi)關(guān)系統成本。配合成熟的驅動(dòng)程序和應用軟件，此產(chǎn)品已經(jīng)成為新一代測試系統的首選。

　　圖4. 4x4 6GHz固態(tài)繼電器矩陣結構示意圖

　　圖5. 采用固態(tài)繼電器的4x4 6GHz 微波矩陣

　　下表1為兩類(lèi)產(chǎn)品的典型特性對比。

　　3. 總結

　　射頻技術(shù)的發(fā)展對測試技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)也推動(dòng)了測試技術(shù)的發(fā)展。開(kāi)關(guān)技術(shù)作為測試技術(shù)的典型代表，近年來(lái)發(fā)展迅速，用戶(hù)對設備尺寸、價(jià)格、可維護性等方面均提出了更高的要求。本文以?xún)煞N典型案例介紹了射頻/微波開(kāi)關(guān)系統的最新發(fā)展。