射頻與微波開關系統(tǒng)的設計與應用

　　摘要

　　隨著802.11ac和LTE產(chǎn)品的發(fā)展，對相應的功能測試系統(tǒng)也提出來更高的要求。與測試分析儀器相匹配的開關系統(tǒng)在尺寸，結(jié)構(gòu)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，使開關系統(tǒng)的體積更緊湊，切換速度更快，并大幅降低了系統(tǒng)成本。

　　1. 射頻/微波開關系統(tǒng)的技術特點

　　隨著無線通訊技術在軍民各種領域應用越來越廣泛，與之相應的測試測量工具和技術也相應迅速發(fā)展。在各種射頻/微波信號測試與仿真系統(tǒng)中，合理部署質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、使用方便、價格適中的開關系統(tǒng)可以大幅提高設備應用效率，擴展系統(tǒng)規(guī)模。

　　與低頻開關矩陣系統(tǒng)相比，構(gòu)建與擴展射頻/微波開關矩陣系統(tǒng)具有獨特的特點，這些特點主要體現(xiàn)在機械結(jié)構(gòu)、電氣性能、使用方法、價格成本等方面。

　　在面向汽車電子測試、半導體測試等領域的應用中，廣泛采用的矩陣開關系統(tǒng)通?；诘皖l或射頻繼電器，通過合理設計PCB來實現(xiàn)大規(guī)模的矩陣開關系統(tǒng)。繼電器置于行“總線”與列線的交叉點位置，用于建立或斷開信號連接，通過設計不同的行線與列線數(shù)量可以實現(xiàn)不同規(guī)模的開關矩陣。在PXI單槽模塊中可承載超過500個開關節(jié)點。下圖1所示為低頻與射頻開關矩陣內(nèi)部的典型結(jié)構(gòu)。

　　圖1.低頻開關矩陣結(jié)構(gòu)示意圖

　　這類開關系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)格眾多，用戶可以根據(jù)測試需求直接選擇規(guī)模和電氣指標適當?shù)漠a(chǎn)品，也比較容易通過多個模塊相互連接進行規(guī)模擴展。如上圖，將兩個模塊的Y1-Y4對應連接即可將2個132x4規(guī)模的開關矩陣組合為1個264x4的開關矩陣。

　　對于低頻開關矩陣，產(chǎn)品硬件設計的重點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快速維修。

　　而對于射頻與微波應用，開關系統(tǒng)的設計具有其獨特的特點。為了保證射頻性能，一般采用多個多路復用開關的相互組合來實現(xiàn)射頻矩陣，以保持每個通道的信號完整性。下圖2所示為10GHz 4x4開關矩陣的內(nèi)部的典型連接關系示意圖。

　　圖2. 自動端接并可擴展的10GHz 4x4微波開關矩陣結(jié)構(gòu)示意圖

　　微波開關矩陣產(chǎn)品內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)對矩陣系統(tǒng)的電氣和機械性能產(chǎn)生以下影響：

　　1) 射頻性能：每建立一個信號通道，微波信號至少需要通過2個微波開關觸點和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(jié)構(gòu)：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(guī)模微波開關矩陣更適合采用獨立設備的形式。

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

　　4) 操作：由于微波矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，使得用戶使用時需要操作的開關數(shù)量增加，提高了使用難度，但通過優(yōu)化的驅(qū)動軟件，用戶幾乎可以無需了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　5) 使用成本：微波開關矩陣的價格昂貴，因此在設計測試系統(tǒng)時必須嚴格優(yōu)化微波矩陣，將其控制在一個合理的規(guī)模。在進行連接時必須嚴格注意線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測試中開關產(chǎn)品的設計

　　近年來隨著802.11a，802.11n，802.11ac等采用5GHz載波的無線通訊技術的發(fā)展，與之性能相匹配的測試產(chǎn)品也不斷進步。

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

　　通過開關系統(tǒng)可以將進一步擴展為可支持多個被測設備的自動測試系統(tǒng)

　　一個解決方案是基于前述微波電磁繼電器(或稱機電繼電器)構(gòu)建微波開關系統(tǒng)。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。單價可達￥150,000。

　　圖3. 4x4 10GHz微波矩陣

　　上述產(chǎn)品曾大規(guī)模應用于消費電子產(chǎn)品的生產(chǎn)測試，用戶對其性能比較滿意，但其尺寸較大，切換速度相對較低，價格昂貴，這些不利因素限制了其在商用領域應用的空間。在此類測試中，對開關的技術要求主要體現(xiàn)為：切換速度快，使用壽命長，體積小，信號功率較低。6GHz固態(tài)繼電器開關的出現(xiàn)恰使得應用于MIMO測試的開關系統(tǒng)得以進一步優(yōu)化。6GHz恰好覆蓋了包括802.11ac在內(nèi)的各種無線通訊新技術的載波頻段，彌補了此前在3GHz到10GHz之間開關矩陣產(chǎn)品的空白。

　　6GHz開關產(chǎn)品的基本功能單元是由4個固態(tài)SPDT開關和1個端接器構(gòu)成的SP4T多路復用器，如圖4所示。通過SP4T功能單元的組合構(gòu)成4x4開關矩陣。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開關矩陣完全符合當前對新一代無線通訊產(chǎn)品的測試需求，其尺寸僅占3個PXI槽位，價格僅為原解決方案1/3左右，大大降低了開關系統(tǒng)成本。配合成熟的驅(qū)動程序和應用軟件，此產(chǎn)品已經(jīng)成為新一代測試系統(tǒng)的首選。

　　圖4. 4x4 6GHz固態(tài)繼電器矩陣結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖5. 采用固態(tài)繼電器的4x4 6GHz 微波矩陣

　　下表1為兩類產(chǎn)品的典型特性對比。

　　3. 總結(jié)

　　射頻技術的發(fā)展對測試技術提出了更高的要求，同時也推動了測試技術的發(fā)展。開關技術作為測試技術的典型代表，近年來發(fā)展迅速，用戶對設備尺寸、價格、可維護性等方面均提出了更高的要求。本文以兩種典型案例介紹了射頻/微波開關系統(tǒng)的最新發(fā)展。