射頻開(kāi)關(guān)基礎知識

　　射頻和微波開(kāi)關(guān)可在傳輸路徑內高效發(fā)送信號。此類(lèi)開(kāi)關(guān)的功能可由四個(gè)基本電氣參數加以表征。

　　雖然多個(gè)參數與射頻和微波開(kāi)關(guān)的性能相關(guān)，然而以下四個(gè)由于其相互間較強的相關(guān)性而被視為至關(guān)重要的參數：隔離度，插入損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)間，功率處理能力。

　　隔離度即電路輸入端和輸出端之間的衰減度，是衡量開(kāi)關(guān)截止有效性的指標。插入損耗(也稱(chēng)傳輸損耗)為開(kāi)關(guān)處于導通狀態(tài)下時(shí)損耗的總功率。由于插入損耗可直接導致系統噪聲系數的增大，因此對于設計者而言，插入損耗是最為關(guān)鍵的參數。

　　開(kāi)關(guān)時(shí)間是指開(kāi)關(guān)從“導通”狀態(tài)轉變?yōu)?ldquo;截止”狀態(tài)以及從“截止”狀態(tài)轉變?yōu)?ldquo;導通”狀態(tài)所需要的時(shí)間。該時(shí)間上可達高功率開(kāi)關(guān)的數微秒級，下可至低功率高速開(kāi)關(guān)的數納秒級。開(kāi)關(guān)時(shí)間的最常見(jiàn)定義為自輸入控制電壓達到其50%至最終射頻輸出功率達到其90%所需的時(shí)間。此外，功率處理能力定義為開(kāi)關(guān)在不發(fā)生任何永久性電氣性能劣化的前提下所能承受的最大射頻輸入功率。

　　圖示為使用12個(gè)不同SMA母同軸連接器的單刀十二擲機電式開(kāi)關(guān)一例

　　射頻和微波開(kāi)關(guān)可分為機電式繼電器開(kāi)關(guān)以及固態(tài)開(kāi)關(guān)兩大類(lèi)。這些開(kāi)關(guān)可設計為多種不同構型——從單刀單擲到可將單個(gè)輸入轉換成16種不同輸出狀態(tài)的單刀十六擲，或更多擲的構型。切換開(kāi)關(guān)為一種雙刀雙擲構型的開(kāi)關(guān)。此類(lèi)開(kāi)關(guān)具有四個(gè)端口以及兩種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而可將負載在兩個(gè)源之間切換。

　　機電式繼電器開(kāi)關(guān)的插入損耗較低(<0.1dB)，隔離度較高(>85dB)，且可以毫秒級的速度切換信號。此類(lèi)開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，其可在直流~毫米波(>50 GHz)頻率范圍內工作，而且對靜電放電不敏感。此外，機電式繼電器開(kāi)關(guān)可處理較高的功率水平(達數千瓦的峰值功率)且不發(fā)生視頻泄漏。

　　然而，在機電式射頻開(kāi)關(guān)的操作中，有一些問(wèn)題值得我們注意。此類(lèi)開(kāi)關(guān)的標準使用壽命大約只有100萬(wàn)次，而且其組件對振動(dòng)較為敏感。使用壽命是指機電式開(kāi)關(guān)在滿(mǎn)足射頻及重復性要求的情況下所能完成的總開(kāi)關(guān)次數。高質(zhì)量或高可靠性機電式開(kāi)關(guān)適用于需要更長(cháng)使用壽命的應用場(chǎng)合。此類(lèi)開(kāi)關(guān)的可靠性和其他性能極其優(yōu)越，而且使用壽命長(cháng)達1000萬(wàn)次。上述較長(cháng)使用壽命源自于設計更為牢固的致動(dòng)器以及在磁效率和機械剛性方面更為優(yōu)化的傳動(dòng)連桿。此外，此類(lèi)開(kāi)關(guān)還設計為可承受更為嚴酷的環(huán)境條件，并滿(mǎn)足MIL-STD-2002標準在正弦和隨機振動(dòng)以及機械沖擊方面的要求。

　　舉例而言，Pasternack提供使用壽命為100萬(wàn)次的標準機電式射頻開(kāi)關(guān)，以及使用壽命為250萬(wàn)~1000萬(wàn)次的可靠性機電式射頻開(kāi)關(guān)。該公司型號為PE71S6064的單刀雙擲可靠性開(kāi)關(guān)即為上述產(chǎn)品中的一種，其工作頻率范圍為DC~40GHz，且保證使用壽命達1000萬(wàn)次。

　　作為可靠性機電式射頻開(kāi)關(guān)的一例，圖示為Pasternack的PE71S6064單刀雙擲機電式開(kāi)關(guān)，其工作頻率范圍為DC~40GHz，保證使用壽命達1000萬(wàn)次

　　相比之下，由于固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)的電路裝配較為平坦且不包含較大的元器件，因此其封裝厚度較小且物理尺寸通常小于機電式開(kāi)關(guān)。固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)使用的開(kāi)關(guān)元件為高速硅PIN二極管或場(chǎng)效應晶體管(FET)，或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開(kāi)關(guān)元件與電容器，電感器和電阻器等其他芯片組件分立集成于同一電路板上。

　　使用PIN二極管電路的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品具有更高的功率處理能力，而FET類(lèi)型的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品通常具有更快的開(kāi)關(guān)速度。當然，由于固態(tài)開(kāi)關(guān)不包含活動(dòng)部件，因此其使用壽命是無(wú)限的。此外，固態(tài)開(kāi)關(guān)的隔離度較高(60~>80dB)，開(kāi)關(guān)速度極快(<<100納秒)，電路的耐沖擊/振動(dòng)性較好。

　　固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)的其他值得注意的性能包括其插入損耗。固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)在插入損耗方面劣于機電式開(kāi)關(guān)。此外，固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)在低頻應用中具有局限性。這是因為其工作頻率下限只能到千赫級，而非直流。這一局限源于其所使用半導體二極管固有的載流子壽命特性。

　　作為PIN二極管開(kāi)關(guān)的一例，圖示為Pasternack的PE7167單刀四擲開(kāi)關(guān)，其工作頻率為500MHz~40GHz，最大開(kāi)關(guān)速度為100納秒。在固態(tài)開(kāi)關(guān)中，PIN二極管基本上作為可變電阻器使用，其電阻值可通過(guò)直流偏置電流調節。

　　此外，固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)對靜電放電更為敏感，且其功率處理能力取決于開(kāi)關(guān)構型、連接器類(lèi)型、工作頻率以及環(huán)境溫度。某些構型的PIN二極管開(kāi)關(guān)雖然可處理峰值為數千瓦的功率，但是同時(shí)需以更低的開(kāi)關(guān)速度為代價(jià)。PIN二極管開(kāi)關(guān)的一例為Pasternack的PE7167單刀四擲開(kāi)關(guān)，該產(chǎn)品的工作頻率為500MHz~40GHz，最大開(kāi)關(guān)速度為100納秒，輸入功率處理能力最高可達+20dBm。

　　總體而言，與機電式開(kāi)關(guān)相比，固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)的可靠性更高，使用壽命更長(cháng)，開(kāi)關(guān)速度更快。因此，在對開(kāi)關(guān)速度和可靠性要求更高的應用中，應該優(yōu)先選擇固態(tài)射頻開(kāi)關(guān);在需要寬頻段覆蓋低至直流以及低插入損耗的應用中，優(yōu)先選擇機電式開(kāi)關(guān);在以長(cháng)使用壽命為絕對要求的應用中，優(yōu)先選擇高可靠性開(kāi)關(guān)。

　　如以上示意圖所示，Pasternack的PE71S6064單刀雙擲開(kāi)關(guān)使用機電式射頻開(kāi)關(guān)的數種典型構件，包括直流28V閉鎖致動(dòng)器，連接開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示燈的數個(gè)獨立觸片，以及設于閑置端口的50歐姆終端匹配電阻

　　設計人員應該了解上述各種開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的其他特征，例如50歐姆電阻性負載。開(kāi)關(guān)電路中，任何閑置的開(kāi)路傳輸線(xiàn)路都有可能在微波范圍內的頻率下發(fā)生共振。這種共振可將電能反射回處于工作狀態(tài)下的射頻源，從而對其造成損害。對于工作頻率為26 GHz或更高的系統而言，由于隔離度大大下降，上述損害將更為嚴重。因此，多數傳輸線(xiàn)路都設計有50歐姆的阻抗，從而使得射頻開(kāi)關(guān)在內置50歐姆電阻性負載后，反射能量極少。

　　機電式射頻開(kāi)關(guān)分為端接型和非端接型兩類(lèi)。在端接型開(kāi)關(guān)中，當所有通道均端接50歐姆負載時(shí)，則關(guān)閉選定的通道，從而將所有電流截止或隔離。如此，入射信號的能量將由端接電阻吸收，而不反射回射頻源。非端接型開(kāi)關(guān)內不設置50歐姆負載，因此必須由系統的其他部分實(shí)現可降低能量反射的阻抗匹配。非端接型開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于其插入損耗較小。

　　圖示為單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)一例，其使用PIN二極管作為開(kāi)關(guān)元件以及作為隔斷射頻通道與直流偏置信號通道的無(wú)源器件。在典型應用中，所示公共射頻端可連接系統天線(xiàn)，而射頻端1和2分別連接發(fā)射器和接收器。所述PIN二極管用作射頻電阻器，其電阻值由該二極管的正向直流偏置電流調節。一般情況下，對于典型PIN二極管而言，直流偏置電流可在三個(gè)或更多數量級范圍內調節其射頻電阻值。當上述二極管處于偏置截止狀態(tài)時(shí)，其阻抗高至接近斷路電路的阻抗。

　　機電式射頻開(kāi)關(guān)的另一個(gè)重要特征在于其電樞繼電器機制。線(xiàn)圈通電時(shí)，感應磁場(chǎng)將使電樞線(xiàn)圈發(fā)生移動(dòng)，從而打開(kāi)或關(guān)閉觸點(diǎn)。非閉鎖開(kāi)關(guān)內設有彈簧或磁鐵，其可在電流不流通時(shí)，將開(kāi)關(guān)保持于一初始常閉狀態(tài)。此類(lèi)開(kāi)關(guān)適用于電源中斷時(shí)須使開(kāi)關(guān)恢復至某一已知狀態(tài)的應用中。

　　閉鎖開(kāi)關(guān)內設有閉鎖機構，而且無(wú)缺省位置，因此其保持斷電前的最后狀態(tài)。由于閉鎖繼電器開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)線(xiàn)圈只有在繼電器斷開(kāi)的一瞬間消耗電能，因此其適用于對功率的耗散成問(wèn)題的應用場(chǎng)合。

　　此外，某些其他類(lèi)型的開(kāi)關(guān)具有故障安全工作模式。在該模式下，一旦線(xiàn)圈上所施加電壓消失后，射頻通道即恢復至斷電狀態(tài)。然而，由于此模式下只有在線(xiàn)圈上持續施加電壓才能保持通電狀態(tài)，因此與閉鎖開(kāi)關(guān)相比，使用此模式的開(kāi)關(guān)的平均故障間隔時(shí)間較短。

　　機電式射頻開(kāi)關(guān)的另一個(gè)值得注意的特征為與射頻通道切換線(xiàn)圈相連接的一組輔助直流觸點(diǎn)。通常狀態(tài)下，這些輔助觸點(diǎn)用于控制指示燈或信號燈，使其表示射頻通道的狀態(tài)。此外，這些觸點(diǎn)還可用于為外部控制系統提供狀態(tài)信息。

　　開(kāi)關(guān)詳細信息

　　固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)可分為吸收型和反射型兩種。吸收型開(kāi)關(guān)在其每個(gè)輸出端口設置50歐姆終端匹配電阻，從而在通止兩態(tài)皆實(shí)現較低的電壓駐波比(VSWR)。設置于上述輸出端口的終端電阻可吸收入射信號能，而未接終端匹配電阻的端口將反射信號。當輸入端信號必須在開(kāi)關(guān)內傳播而過(guò)時(shí)，上述開(kāi)放端口即與終端匹配電阻斷開(kāi)，從而允許該信號的能量可完整地自該開(kāi)關(guān)傳播而出。吸收型開(kāi)關(guān)適用于需最大限度減小射頻源所受回波反射的應用場(chǎng)合。

　　相比之下，反射型開(kāi)關(guān)內不設終端電阻，以達到降低開(kāi)放端口的插入損耗的目的。反射型開(kāi)關(guān)適用于對端口之外的高電壓駐波比不敏感的應用場(chǎng)合。此外，在反射型開(kāi)關(guān)內，阻抗匹配由除端口之外的其他構件實(shí)現。

　　固態(tài)開(kāi)關(guān)的另一個(gè)值得注意的重要特征為其驅動(dòng)電路。某些類(lèi)型的固態(tài)開(kāi)關(guān)內集成有輸入控制電壓驅動(dòng)器，這些驅動(dòng)器的輸入控制電壓邏輯狀態(tài)可實(shí)現特定的控制功能——為保證二極管可獲得反向或正向偏置電壓提供必要電流。

　　機電式和固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)可制成多種具有不同封裝規格和連接器類(lèi)型的產(chǎn)品——大多數工作頻率高達26GHz的同軸開(kāi)關(guān)產(chǎn)品使用SMA連接器;高達40GHz的使用2.92mm或K型連接器;達50GHz的使用2.4mm連接器;達65GHz的使用1.85mm連接器。

　　帶波導端口的開(kāi)關(guān)所具有的插入損耗最低，因此被廣泛用于微波和毫米波頻段內的高功率通信信號。使用大的N型或TNC連接器的同軸開(kāi)關(guān)產(chǎn)品具有更高的功率處理能力(可處理高達數百瓦的連續波功率)。此外，不同用途的產(chǎn)品可采用不同的封裝形式——從不與環(huán)境隔離密封的“商用級”封裝，到可承受惡劣環(huán)境條件的嚴格密封“高可靠級”封裝。

　　作者：Pasternack公司有源射頻/微波產(chǎn)品經(jīng)理Tim Galla