射頻、微波和毫米波開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)矩陣
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射頻（RF）、微波和毫米波開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)矩陣具有多種重要功能，包括：
基本原理
在微波領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)的開(kāi)發(fā)需要考慮輸入和輸出線(xiàn)路或端口的信號參數（如功率、幅度、相位、噪聲），這些參數會(huì )影響相鄰單元在導通和關(guān)斷狀態(tài)下的功能（見(jiàn)圖 1）。
圖 1. 開(kāi)關(guān)速度參數
這些參數在開(kāi)關(guān)從導通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)，以及從關(guān)斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)的過(guò)程中會(huì )發(fā)生變化。上升時(shí)間 Trise 是指射頻信號從導通電平的 10% 上升到 90% 所需的時(shí)間。下降時(shí)間 Tfall 是指射頻信號從導通電平的 90% 下降到 10% 所需的時(shí)間。導通時(shí)間 Ton 是指從控制脈沖的 50% 到導通電平的 90% 的時(shí)間間隔。關(guān)斷時(shí)間 Toff 是指從控制脈沖的 50% 到導通電平的 10% 的時(shí)間間隔。理想的開(kāi)關(guān)應具有零 Ton 和 Toff（即零延遲以及零上升和下降時(shí)間），除了在輸出端對輸入信號進(jìn)行導通或關(guān)斷控制外，不會(huì )對輸入信號產(chǎn)生瞬態(tài)振蕩或失真。
根據開(kāi)關(guān)技術(shù)和開(kāi)關(guān)結構的不同，導通和關(guān)斷狀態(tài)之間的瞬態(tài)間隔可能具有不理想的振蕩特性。例如，在機械繼電器開(kāi)關(guān)中，輸出信號邊沿的時(shí)間位置相對于控制信號的邊沿位置可能會(huì )以阻尼振蕩的方式延遲。這主要由三個(gè)因素導致：
1）線(xiàn)圈中的電感延遲；
2）觸點(diǎn)物理移動(dòng)所需的時(shí)間；
3）射頻觸點(diǎn)的彈跳時(shí)間。
即使是最簡(jiǎn)單的微波單刀單擲（SPST）開(kāi)關(guān)，也可能出現其他干擾現象。這歸因于輸入或輸出對頻率相關(guān)的射頻反射的響應、開(kāi)關(guān)時(shí)刻與振蕩相位的不一致、高階傳輸線(xiàn)模式的出現、電路 S 參數對入射功率水平的依賴(lài)、瞬態(tài)的振蕩特性以及開(kāi)關(guān)內部輸入信號的非線(xiàn)性變換。
更復雜的開(kāi)關(guān)在端口數量和位置上有所不同。對于多位置和矩陣開(kāi)關(guān)，可以用多端口網(wǎng)絡(luò )來(lái)描述，即：
（1）其中，[B] 和 [A] 分別是輸出和輸入電路的矩陣，[S] 是維度為 m×n 的散射（傳輸）矩陣，m 是輸入端口的數量，n 是輸出端口的數量。
公式（1）表示正弦信號通過(guò)具有已知入射和反射波參數的線(xiàn)性電路的理想化模型。在每個(gè)信號頻率下，公式（1）中的矩陣系數由開(kāi)關(guān)的配置、尺寸和內部結構決定。制造商通常會(huì )提供等效電路用于性能建模。為了評估高次諧波信號對信號頻譜的影響，該等效電路應能較好地描述高于工作頻率幾倍的頻率下的行為。
對于具有歐姆接觸的開(kāi)關(guān)，其導通狀態(tài)下帶寬的下限頻率是直流（DC）。電容式開(kāi)關(guān)不能通過(guò)直流。導通狀態(tài)下的上限頻率由引入傳輸損耗的寄生電路參數決定。在關(guān)斷狀態(tài)下，上限頻率由寄生電容或隔離不良決定，寄生電容或隔離不良會(huì )導致輸入和輸出電路之間傳輸不需要的信號，同時(shí)還存在歐姆損耗。
大多數開(kāi)關(guān)架構是互易的，其正向和反向傳輸特性相同；然而，一些開(kāi)關(guān)型號，例如使用鐵氧體或嵌入式放大器（即非互易元件）的開(kāi)關(guān)，其輸入和輸出端口不能互換。
在大型開(kāi)關(guān)矩陣中同時(shí)切換多個(gè)輸入和輸出端口時(shí)，需要確定各種初始狀態(tài)、最終狀態(tài)以及信號路徑。為了減少給定組合的數量，通常會(huì )使用定制軟件。
每個(gè)端口在導通和關(guān)斷狀態(tài)以及轉換過(guò)程中的匹配條件變化非常重要，因為這可能會(huì )導致電路性能不佳。在這方面，開(kāi)關(guān)電路可能會(huì )設計得較為復雜，以盡量減少開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的影響，并確保將匹配負載連接到開(kāi)路端口。
開(kāi)關(guān)的功率處理能力和使用壽命有限，這取決于開(kāi)關(guān)原理、制造技術(shù)、材料以及應用場(chǎng)景。例如，在沒(méi)有入射射頻（即 “冷切換”）的情況下進(jìn)行切換，對開(kāi)關(guān)的壓力較小，可靠性更高，生命周期更長(cháng)；而增加切換電流會(huì )降低可靠性和縮短使用壽命。
分類(lèi)與參數
射頻、微波和毫米波開(kāi)關(guān)具有多種特性、配置和結構組合。根據開(kāi)關(guān)配置，可以分為雙位置、多位置和矩陣開(kāi)關(guān)。圖 2 展示了不同的類(lèi)型。其基本功能是接通和斷開(kāi)高頻電流流過(guò)的電路觸點(diǎn)。
圖 2. 開(kāi)關(guān)配置：?jiǎn)蔚秵螖S（a）、雙刀單擲（b）、單刀雙擲（c）、雙刀雙擲（d）；旋轉轉換 3x120 [1 - 2; 3 - 4; 5 - 6 或 2 - 3; 4 - 5; 1 - 6]（e）、旋轉三位置開(kāi)關(guān) [1 - 3 或 1 - 4; 2 - 3 或 2 - 4]（f）以及單刀四擲（g）
最簡(jiǎn)單的機械單刀單擲（SPST）開(kāi)關(guān)有兩個(gè)端子，可以連接或斷開(kāi)（見(jiàn)圖 2a）。如果帶有兩個(gè)用于線(xiàn)圈的端子（如繼電器），則總共有四個(gè)端子。當繼電器未通電時(shí)，觸點(diǎn)可以是常開(kāi)或常閉的。增加一個(gè)輸出端就變成了單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)；一個(gè)輸出端導通，另一個(gè)輸出端關(guān)斷（見(jiàn)圖 2b）。這種結構可以擴展到任意數量的輸出端口（即 SPNT），其中一個(gè)端口導通，其他端口關(guān)斷。雙刀雙擲（DPDT）開(kāi)關(guān)有兩對端子（端口），相當于由單個(gè)線(xiàn)圈驅動(dòng)的兩個(gè) SPST 開(kāi)關(guān)或繼電器（見(jiàn)圖 2c）。旋轉轉換開(kāi)關(guān)是雙位置開(kāi)關(guān)的一種變體，其轉子能夠在兩個(gè)正交位置之一進(jìn)行旋轉定向，如圖 2d 所示。在轉子的第一個(gè)位置，端子（端口）1 和 2 以及 3 和 4 連接；在第二個(gè)位置，2 和 3 以及 1 和 4 連接。這種電路可用于插入或旁路放大器、改變天線(xiàn)在發(fā)射和接收（Tx/Rx）之間的連接，或者將兩個(gè)微波發(fā)射器連接到兩個(gè)備用天線(xiàn)。圖 2e 所示的具有三個(gè)間隔為 + 120 度觸點(diǎn)的類(lèi)似電路適用于波導實(shí)現。為了增加 SPNT 開(kāi)關(guān)的位置數量 N，可以組合更簡(jiǎn)單的電路（見(jiàn)圖 3）。
圖 3. SP16T 扇出開(kāi)關(guān)的電氣框圖
開(kāi)關(guān)可以通過(guò)機電（包括簧片）繼電器、固態(tài)繼電器、微機電系統（MEMS）、非互易（如鐵氧體）元件實(shí)現，也可以手動(dòng)操作或通過(guò)可編程電路實(shí)現。繼電器是一種電動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，用于需要用低功率信號控制高功率電路的場(chǎng)合。在機電繼電器中，通過(guò)電磁鐵和射頻電路外部的機械機構實(shí)現連接 / 斷開(kāi)?；善^電器中使用真空密封觸點(diǎn)，借助外部靜磁場(chǎng)實(shí)現連接 / 斷開(kāi)，其開(kāi)關(guān)機構和射頻導體是一體的。在固態(tài)繼電器中，利用輸入和輸出端口之間的電阻來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)功能。這可以通過(guò)根據特定技術(shù)（如 PIN 二極管、砷化鎵場(chǎng)效應晶體管）和特定電路結構連接（吸收式、反射式）改變半導體中的偏置電壓來(lái)實(shí)現。在 MEMS 開(kāi)關(guān)中，芯片表面形成一個(gè)微觀(guān)的機械導電帶，一端懸在觸點(diǎn)上方。這個(gè)機械致動(dòng)器在受控靜電力的作用下移動(dòng)，以連接輸入和輸出電路。通常，非互易鐵氧體開(kāi)關(guān)是指那些改變磁場(chǎng)方向的開(kāi)關(guān)。手動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)通常用于測量和校準設備中。對于可編程開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)由數字控制單元的編碼信號控制。
故障安全模式是指開(kāi)關(guān)在施加驅動(dòng)電壓時(shí)切換到閉合位置，并且在電壓移除時(shí)始終返回到預定位置。這通常通過(guò)驅動(dòng)機構中的復位彈簧來(lái)實(shí)現。
鎖存繼電器有兩個(gè)松弛（雙穩態(tài)）狀態(tài)。當驅動(dòng)電壓移除或中斷時(shí)，開(kāi)關(guān)保持在預選位置，直到施加電壓使其移動(dòng)到另一個(gè)位置。這可以通過(guò)磁性或機械鎖存機構來(lái)實(shí)現。
常開(kāi)（NO）或 “按鈕接通” 模式是指開(kāi)關(guān)的所有輸出端口在施加電壓以保持選定位置之前都與輸入端口斷開(kāi)連接。電壓移除后，開(kāi)關(guān)返回開(kāi)路位置。極化繼電器在控制信號斷開(kāi)后保持在最后一個(gè)穩定位置。常閉（NC）或 “按鈕斷開(kāi)” 模式可以根據電路狀態(tài)來(lái)區分。同時(shí)具有這兩種觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)稱(chēng)為轉換開(kāi)關(guān)。
終端匹配和非終端匹配的開(kāi)關(guān)模式根據開(kāi)路的負載情況不同而有所區別。終端匹配的開(kāi)關(guān)在其結構中每個(gè)輸出端口都包含一個(gè)內部匹配負載，確保在關(guān)斷和導通狀態(tài)下電壓駐波比（VSWR）都較低（即導通狀態(tài)的端口與連接電路匹配，關(guān)斷狀態(tài)的端口與內部負載匹配）。
自切斷功能是指在開(kāi)關(guān)動(dòng)作后切斷致動(dòng)器電流?？梢酝ㄟ^(guò)與致動(dòng)器相連的串聯(lián)觸點(diǎn)或 IC 驅動(dòng)電路來(lái)實(shí)現切斷。此功能可將功耗降至最低。脈沖鎖存有時(shí)用于描述不具備此功能的開(kāi)關(guān)。
阻塞矩陣開(kāi)關(guān)在輸入和輸出端都有開(kāi)關(guān)。因此，每個(gè)輸入信號都可以切換到一個(gè)單獨的輸出端口。阻塞開(kāi)關(guān)矩陣的一個(gè)應用示例是無(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn)系統，其中每個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備都連接到一個(gè)特定的天線(xiàn)。如果應用需要一個(gè)輸入同時(shí)連接到多個(gè)輸出，則使用非阻塞矩陣。非阻塞開(kāi)關(guān)矩陣用于多輸入多輸出（MIMO）收發(fā)器和衛星站接收器等應用中。
全扇入和 / 或全扇出矩陣的特點(diǎn)是具有與上游和下游端口的完整連接組合。矩陣的通道間串擾用于衡量高頻信號從一個(gè)通道泄漏到另一個(gè)通道的程度。它是通道之間的雜散電容、互感和泄漏電阻共同作用的結果。
低功率、中功率和高功率開(kāi)關(guān)根據切換功率的水平進(jìn)行區分。
指示器用于告知系統開(kāi)關(guān)所處的位置。指示器通常是一組與致動(dòng)器相連的內部安裝直流觸點(diǎn)。
參數
以下是一些重要的性能參數：
開(kāi)關(guān)和矩陣的通用規范和測試方法在 MIL-DTL-55041 中進(jìn)行了定義。
固態(tài)開(kāi)關(guān)和矩陣
固態(tài)開(kāi)關(guān)具有機電繼電器的功能，但沒(méi)有移動(dòng)部件，從而提高了長(cháng)期可靠性。固態(tài)開(kāi)關(guān)還利用大規模半導體組裝和自動(dòng)化技術(shù)，降低了成本；并且它們占用的空間更?。ňw管處于微觀(guān)級別），這有助于緊湊型系統的設計。
固態(tài)開(kāi)關(guān)的特性在很大程度上取決于開(kāi)關(guān)半導體元件的類(lèi)型，例如正 - 本征 - 負（PIN）二極管、砷化鎵（GaAs）或氮化鎵（GaN）晶體管技術(shù)以及肖特基二極管。
開(kāi)關(guān)信號的最高頻率 fmax、功率處理能力和開(kāi)關(guān)速度是決定其性能優(yōu)勢的主要工程參數。最高頻率由半導體結構的特性決定。許多制造商用兩個(gè)主要參數來(lái)表征固態(tài)開(kāi)關(guān)的輸入微波信號功率 Pmax：P1dB 和 PIP3。P1dB 是指傳輸函數相對于小信號值下降 1dB 時(shí)的輸入功率。PIP3 是指兩個(gè)等電平正弦信號 f1 和 f2 之和形式的測試信號的高頻功率，在該功率下，輸出中不需要的三階組合產(chǎn)物（2f1 - f2 和 f1 - 2f2）的電平等于頻率為 f1 和 f2 的信號電平。PIP3 的值越高，表明開(kāi)關(guān)在導通狀態(tài)下處理更高輸入功率且輸出失真更小的能力越強。PIN 二極管開(kāi)關(guān)的 PIP3 值比 P1dB 高 5 至 10dB。場(chǎng)效應砷化鎵晶體管可將這一差值提高到 20 至 25dB。
圖 4. 各種開(kāi)關(guān)配置示意圖：串聯(lián)（a）、并聯(lián)（b）和串并聯(lián)（c）
固態(tài)開(kāi)關(guān)可以串聯(lián)、并聯(lián)或組合連接（見(jiàn)圖 4），這些器件的電阻會(huì )根據偏置情況達到最大值或最小值。許多制造商都提供射頻、微波和毫米波范圍內的固態(tài)開(kāi)關(guān)和矩陣。
PIN 二極管開(kāi)關(guān)
使用 PIN 二極管的開(kāi)關(guān)設計可以采用并聯(lián)、串聯(lián)或復合拓撲結構。在射頻及更高頻率下，無(wú)論是采用并聯(lián)還是串聯(lián)方式，單個(gè) PIN 二極管通常很難實(shí)現超過(guò) 40dB 的隔離度。PIN 二極管可以設計用于高功率（幾十到幾百瓦）和多倍頻程帶寬的應用；然而，其代價(jià)是更高的損耗和更低的隔離度。
表 1 展示了一些采用 PIN 二極管技術(shù)的開(kāi)關(guān)型號的典型參數。
圖 5. PIN 單刀 24 擲開(kāi)關(guān)型號 PSW24 - 0618 - 13 - 11（圖片由 Paciwave Inc. 提供）
它們在物理結構、架構（例如從單刀單擲到單刀 36 擲）、工作頻率（0.1 至 40GHz）、吸收式與反射式配置、功率處理能力和開(kāi)關(guān)時(shí)間等方面存在差異。圖 5 展示了一款 6 至 18GHz 的 PIN 二極管單刀 24 擲開(kāi)關(guān)的外觀(guān)。它的隔離度為 60dB，插入損耗為 10dB，開(kāi)關(guān)速度為 30ns，平均功率處理能力為 100mW，峰值功率為 2W。
場(chǎng)效應晶體管 / 砷化鎵開(kāi)關(guān)
圖 6. 場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)的典型框圖
開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應晶體管（FET）是一種三端口器件（見(jiàn)圖 6），源極和漏極端口之間的通道形成射頻信號的傳導路徑，柵極端口控制信號是否通過(guò)。在柵極和通道之間施加直流控制電壓即可實(shí)現此功能。與 PIN 二極管開(kāi)關(guān)相比，場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)的帶寬相對較窄、功率水平較低（小于 1W）、損耗更低（小于 0.8dB）且隔離度更高。
固態(tài)開(kāi)關(guān)制造商采用專(zhuān)利解決方案來(lái)設計驅動(dòng)器（用于將 TTL 或 CMOS 輸入電壓轉換為砷化鎵場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)所需的互補驅動(dòng)信號的邏輯電路，以達到合適的工作速度）。砷化鎵場(chǎng)效應晶體管驅動(dòng)電路中有三個(gè)基本元件：TTL 輸入緩沖部分、電壓轉換器和互補輸出緩沖級（見(jiàn)圖 7）。獨立的驅動(dòng)器 IC 能夠使性能與需求相匹配，例如實(shí)現控制特性的線(xiàn)性化。嵌入 IC 的驅動(dòng)器可實(shí)現最小尺寸和最低電流消耗。
圖 7. 砷化鎵場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器框圖（圖片由 M/A - COM 微電子部門(mén)提供）
表二展示了采用砷化鎵技術(shù)的單片微波集成電路（MMIC）固態(tài)開(kāi)關(guān)的一些參數。使用氮化鎵技術(shù)的固態(tài)開(kāi)關(guān)在高開(kāi)關(guān)速度、高開(kāi)關(guān)功率、良好的關(guān)斷狀態(tài)隔離以及低導通狀態(tài)損耗方面具有很大的發(fā)展潛力。
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