設計與構建完美的開(kāi)關(guān)測試系統

　　測試中常常會(huì )遇到這樣的情況：系統中的開(kāi)關(guān)非常完美，沒(méi)有信號損失或泄漏；所有的信號以點(diǎn)到點(diǎn)的方式進(jìn)行傳輸，沒(méi)有信號衰減。但是，系統的功能卻不正常。這是為什么呢？本文將剖析在測試系統中配置開(kāi)關(guān)時(shí)常見(jiàn)的一些錯誤，并介紹幾種有助于避免這些開(kāi)關(guān)錯誤的正確設計技術(shù)。

　　常見(jiàn)錯誤的來(lái)源

　　設計者在配置開(kāi)關(guān)測試系統時(shí)會(huì )出現一些常見(jiàn)的錯誤，其中大多數錯誤很容易發(fā)現并糾正。下面所介紹的是一些相對容易發(fā)現的問(wèn)題。

　　繼電器開(kāi)路——繼電器或開(kāi)關(guān)在理想的開(kāi)路狀態(tài)下，接觸點(diǎn)之間的阻值是無(wú)窮大的。實(shí)際上，其中總是存在一定的有限阻值，關(guān)鍵是要確定這些開(kāi)路阻值大小，以判斷它是否會(huì )影響信號在系統內的傳輸。

　　繼電器閉合——繼電器或開(kāi)關(guān)在理想的閉合情況下，觸點(diǎn)之間是沒(méi)有電阻的。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)總是有很小的閉合電阻。大多數觸點(diǎn)都有幾個(gè)毫歐量級的電阻。這一阻值通常在使用過(guò)程中會(huì )不斷增大。大部分繼電器在報廢時(shí)的接觸電阻大約為2Ω左右。即使在這樣高的阻值下，繼電器仍然能夠正常工作，只是它會(huì )對通過(guò)開(kāi)關(guān)的信號產(chǎn)生較大的影響。

　　通道間隔離度——來(lái)源于相鄰通道的串擾和信號泄漏是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。采用合適的開(kāi)關(guān)元件能容易地實(shí)現正確的設計指標。通道間隔離度是衡量任意兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)之間電氣隔離性能的指標。隔離度越高，通道之間產(chǎn)生的信號串擾或泄漏就越少。典型情況下，通道間的隔離度高于10GΩ，電容低于100pF。在設計開(kāi)關(guān)系統時(shí)，我們必須考慮觸點(diǎn)間的電阻。

　　繼電器穩定時(shí)間——穩定時(shí)間是繼電器觸點(diǎn)停止反跳，形成固定可靠的連接所需的時(shí)間，典型的穩定時(shí)間為毫秒量級。如果信號的阻抗極高（如很小的電流），那么它可能需要幾秒甚至幾分鐘的穩定時(shí)間。穩定時(shí)間與對線(xiàn)纜或電路中的雜散電容進(jìn)行充電的時(shí)間直接相關(guān)。阻抗越高，電流越小，信號穩定所需的時(shí)間越長(cháng)。

　　開(kāi)關(guān)及相應布線(xiàn)對信號質(zhì)量的影響——每種信號都有自身獨特的干擾特性，選擇合適的布線(xiàn)方法可以減少或消除這些干擾。如果沒(méi)有使用合適的布線(xiàn)方法，傳輸的信號將會(huì )有所失真。對于高頻開(kāi)關(guān)系統，如果在特征阻抗為50Ω的系統中采用75Ω的同軸線(xiàn)纜將會(huì )引起信號反射和較差的VSWR（電壓駐波比）。

　　避免開(kāi)關(guān)錯誤的設計技巧

　　大規模射頻矩陣——隨著(zhù)通信行業(yè)的飛速發(fā)展，構成不同通信系統的各種電子元件都需要進(jìn)行大量的測試。這些元件涵蓋的范圍從有源元件（如RFIC：射頻集成電路）到完整的通信系統。射頻測試系統中的主要元件可能包括直流偏壓源、直流測量射頻功率計、網(wǎng)絡(luò )分析儀、射頻信號源和其它一些儀器。實(shí)現測試過(guò)程的自動(dòng)化并提高測試的效率需要將射頻/微波和低頻開(kāi)關(guān)系統集成到測試系統中。射頻矩陣是測試系統的一個(gè)重要組成部分。通常，當需要將多件測試設備與多個(gè)器件相連接時(shí)，就需要采用射頻矩陣式的開(kāi)關(guān)系統。待測器件的個(gè)數以及所需的測試設備的數目通常決定了射頻矩陣的規模。乍一看來(lái)，實(shí)現這種測試系統可能需要很大規模的矩陣，但是通過(guò)進(jìn)一步的分析不難發(fā)現矩陣規?？赡懿](méi)有想象的那么大。

　　實(shí)現射頻開(kāi)關(guān)控制有三種射頻矩陣。掌握這些矩陣的特性，有利于縮小矩陣規模，提高矩陣的效率。

　　1．非阻塞矩陣——這種矩陣能夠同時(shí)連接多個(gè)輸入/輸出的單通路，最高能夠支持的通路數為矩陣的輸入數，如圖1所示。這種矩陣的功能是最靈活的，成本也是最高的。盡管我們關(guān)閉多條通路，但只在直流測試系統中是可行的（如將一個(gè)連續的偏壓加載到多個(gè)DUT上）。阻抗匹配問(wèn)題限制了在射頻與微波的開(kāi)關(guān)操作中關(guān)閉多條通路的可能性。假設矩陣系統處于測量?jì)x器與DUT之間，確保系統中所有元件的阻抗匹配是非常重要的。為了實(shí)現最佳的信號傳輸性能，源的輸出阻抗應該等于開(kāi)關(guān)、線(xiàn)纜和DUT的總阻抗。正確的阻抗匹配能夠提高信號完整性。

　　2．阻塞矩陣——這種矩陣能夠實(shí)現一個(gè)輸入與任意一個(gè)輸出之間的連接，任意時(shí)刻矩陣中只有一條信號通路有效，如圖2所示。這種矩陣帶有一定的局限性，但是對于射頻與微波信號而言，傳輸通路的阻抗必須匹配。一次關(guān)閉多條通路會(huì )引起反射，從而影響信號的VSWR，導致信號與功率的損耗。因此，阻塞矩陣雖然具有一定的局限性，但在大多數情況下它對于提高信號質(zhì)量是必需的。

　　3．全矩陣與子矩陣——這種矩陣能夠同時(shí)連接一個(gè)輸入到多個(gè)輸出，如圖3。開(kāi)關(guān)主控機包括信號轉化控制的開(kāi)關(guān)卡。開(kāi)關(guān)卡通常設計為1x4的模塊，即一個(gè)卡上可能包含三個(gè)或四個(gè)1x4的開(kāi)關(guān)。將這些開(kāi)關(guān)配置在一起可以構成更大規模的矩陣，其中包含更多的行或列，或者同時(shí)增大行列數，但是需要在系統的每個(gè)輸入端配置功率分配器，在輸出端配置多路開(kāi)關(guān)。另外，阻抗匹配也很重要。這種結構的優(yōu)勢在于：不需要無(wú)端接插頭，能夠訪(fǎng)問(wèn)所有的通道，各通路具有相似的特性。不足之處包括，需要大量的布線(xiàn)并使用很多同軸繼電器。