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射频开关——设计和选择合适的RF

上海墨石2019-01-16 03:52:55
射频开关
——设计和选择合适的开关


今天为大家介绍射频开关网络的一些基本参数,例如插损、驻波、特征阻抗,和上升时间等;此外,射频开关的网络设计,包括如何根据应用选择正确的拓扑结构。提高其利用性能等;最后,关于部分开关网络,例如线缆、连接器。

 

一、开关的关键指标
许多的射频开关厂商用两个主要的参数拓扑结构和带宽来描述它们的产品。虽然这些规格在评估阶段的确是很重要的,但是它们不能为买方提供足够的信息来支撑决策。首先就看一下购买开关网络必不可少的一些参数:
1
特征阻抗
特征阻抗是传输线的参数,它由传输线的物理结构决定,当然,信号在传输线上如何传输或反射也有一定的影响。射频器件的阻抗不是DC阻抗,在传输线理论中(图:传输线的特征阻抗),可以使用下面的公式进行计算:
Z0表示特征阻抗,L表示电流通过导线时在导线周围形成的磁场引起的RF传输线的每单位长度的电感,C表示射频传输线单位长度的电容(也是存在于两个导体之间的电容),R表示射频传输线的每一单位DC阻抗,G表示单位长度的介质电导,ω表示频率(radians/s)。

 

理想的电缆没有阻抗或电介质泄露,它的特征阻抗可以通过右式计算:
 
50Ω的射频系统构成了射频市场的大部分,包括大多数通信系统。75Ω的射频系统数量较少,主要应用在广电等视讯射频系统。总之,工程师应该首先确保测试系统中部件和电缆连接器等是阻抗匹配的。
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插损
如果传播通过的传输线的长度大于其自身波长的1%,则在信号中会出现显著的功率损耗。开关模块的插损是测量功率损失和信号衰减。特定频率下开关的插损可以使用在该频率开关所引起的功率损失(1式)/电压衰减(2式)来表示:
我们可以把开关或继电器看成一个低通滤波器。生活中的每个开关都有一特定的电容,电感,电阻和电导,这些寄生元件组合以衰减和降低开关路由的信号。这些组件引起的功率损耗和电压衰减随输入信号的频率而变化,并且可以通过开关模块在该频率处的插入损耗规格进行量化。(插损大小对开关路由信号的影响如下图所示,案例略)

 

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电压驻波比(驻波比)
就像声波、光波等,当信号在不同介质之间(例如不匹配阻抗的器件)传播会发生反射。在一个开关模块中,这种不匹配可能是连接器和PCB迹线之间的特征阻抗,以及实际的继电器本身……
由于驻波比测量反射波的功率,它常常也用来衡量传输线的功率损耗。根据其自身相位,输入信号可能会与反射波相加减。这取决于反射波相对于输入信号是同相还是反相,同相时取到最大值,反相时取到最小值。下面通过一个例子来说明该指标:

 

在上图所示(1Vpp正弦波引起的衰减比较)的电路中,负载阻抗为(40.5Ω)不等于信号源和传输线的阻抗(50Ω)。因此,通过传输线传输的部分信号会从负载端反射回来。我们可以根据下列公式测量反射:

 

最终简化计算结果就是:
(1+0.1)/(1-0.1)=1.22
为了更形象的理解这个例子,如下图所示,在射频系统中,信号源发生1Vpp的正弦波信号。由于系统的反射系数为0.1,我们可以大致知道反射的幅度值,大致为0.1×1=0.1V或者说100mV。下图展示了当反射波分别于输入信号同相和反相时合成信号的最大和最小幅度。同理,通过下图最大及最小电压驻波亦可求得驻波比。

 

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带宽
带宽也是开关模块的一个非常重要的参数。然而,带宽能提供的是非常近似的性能,而且射频开关在开关的带宽规范上各供应商之间较不同。开关的带宽简单的表示在可接受的损耗条件下该开关可以比较可信地路由信号的最大频率。
产品的带宽通常也就是指其中频带宽(-3dB带宽)。这种观点对于诸如数字转换器之类的仪器是精确的,其中设备的单款规格实际上是仪器的模拟前端的-3dB点。然而对于开关,有时带宽选择-3dB带宽并不准确。(厂商的带宽标定是否是按-3dB标定,对其价格和性能会有较大影响。)

 

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隔离和串扰
隔离定义的是通过开路耦合到的信号,串扰定义的是线路之间例如射频模块上不同部分的复用器之间。
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上升时间
如果信号是纯正弦波,开关模块的带宽/插损参数就足够决定该产品是否适合应用。然而,对于有多个频率分量的信号,例如方波,就不是那么简单,因为保持这样的信号的完整性取决于开关对信号上升的时间。
展示了方波的五次谐波测量。假设方波的最高次谐波需要通过开关路由。什么样的开关能够成功的路由这样的信号?我们需要比较开关的上升时间和谐波的上升时间。如果遇到厂商并没有提供上升时间,我们需要计算谐波的-3dB点,并且需要测量开关的-3dB点。通过下述公式进行(对于上图所示的信号,我们计算达到-3dB的频率为6.36Hz(上升时间仅为0.055s)。因此出入损耗在6.36Hz或更高时小于3dB的开关将足以路由该方波。):

 

其中τR就代表开关模块的上升时间。
二、射频开关拓扑
1
两种主要的开关拓扑结构
射频开关有两种主要的拓扑结构:多路复用器和通用继电器。通过这两种拓扑结构就能构建出大量复杂的开关网络。
通用继电器模块通常由C型(SPDT)继电器组成,通常用于在两个位置之间路由信号。例如,一个信号需要用射频分析仪进行分析,并且接下来通过发送天线以广播的形式发出。这种情况通常选用一个单刀双掷继电器实现。
多路复用器是一种路由多端输入到单输出或相反的设备。多路复用器通常用于增加复杂、昂贵的仪器(如分析仪、发生器等等)通道数的理想选择。

 

假设对设备进行100为一批次的测试,对此有以下方案?
A.使用RF分析仪用于每个设备独立测试,这将需要100个RF分析仪。(费钱)
B.手动将1批次/100个设备每次一个连接到单个RF分析仪。(费时)
C.通过多路复用的形式采用100×1的复用器开关网络,自动路由100个手机到RF分析仪进行测量,并使用软件以适当的方式存储。(最佳方案)

 

一般来说,多路复用器可以通过多个SPDT继电器构建。通常多路复用器具有更高的插入损耗,因为多路复用器的插入损耗包含各个SPDT继电器的插入损耗以及路由的PCB迹线的插入损耗之和以及这些SPDT继电器之间的信号。
2
测量应用中,一种均匀拓扑结构
信号路径越间接(即中继越多),传输线中的插入损耗越大。这个概念不仅适用 于每一个开关网络,对于射频系统的每个器件也是如此。因此,为了最小化系统的插损值,开关网络必须尽可能的缩短信号路径,减少/移除线路上的不必要器件。(下图,信号路径上增加器件引起插损的增加)
例如级联方案(级联两个4×1复用模型,构建7×1复用器开关):这个设计最大的缺点可能使信号路径长度随信道不同有很大差异。这种差异体现在驻波、插损等各方面上。实测DUT1的反射远大于DUT7。现实测试中,通常需要所有DUT上相同的性能。

 

固有的8×1模块拓扑,这这种方法使用固有8×1模块从7个待测设备上路由信号。因为整个系统都是在一个模块内部,外部电缆和附加连接器的使用满足最小化。此外,源自DUT1和DUT7的信号将具有完全相同的路径长度。因此,对于这种设置,插损和反射信号都是最小的。但是,大型多路复用器网络开关很难找到现成的。

 

使用SPDT继电器构建7×1多路复用。虽然这种方法构造的7×1多路复用器的方法不如使用固有的8×1多路复用器那样有效,但它远远优于方法1中构建的系统。因为它使用四SPDT模块,以将信号从两个4×1多路复用器路由到RF信号分析仪。通过这样做,交换机网络允许7×1多路复用器的每个通道路径等长。因此,尽管信号反射和插入损耗将高于方法2中的系统,但是对于所有信道而言它是均匀的。

 

三、射频开关的应用与连接
1
电缆
大部分的射频系统使用同轴线进行信号传输。同轴线三个主要的部分包括:中心导体、外屏蔽层、通过放置中心导体和外壳之间电流耗散而用作电绝缘体的电介质。
因为同轴电缆在其内部(下图中的内导体)包含传播的电磁信号,因为它们不会辐射噪声,并且不易可能在附近残留的其他信号。有可能影响系统性能的同轴电缆的几个属性。包括电缆衰减,截止频率和特征阻抗。

 

2
电缆衰减
电缆将对其路由的信号施加的总衰减取决于其导电和介电损耗,也称为“电阻损耗”或“欧姆损耗”的它又取决于:
a.用于制造同轴电缆的金属,通常,选高导电性的铜或银
b.电缆中心和外导体的直径
减小RF系统中的导电损耗的一种方式是使用具有较大直径的电缆。较大的电缆包含更多的金属用于传导电流,因此每单位长度的衰减比较小。
同样值得注意的是,由电缆引入的导电损耗的量取决于其路由的信号频率。随频率增加,电流密度倾向于集中在内部导体的外表和外部导体的内表面附近(称为“趋肤效应”)。这使得任何电缆中的导电损耗以相关信号的频率的平方根成正比增长。
除了导电损耗之外,电力也在电缆的电介质(中心和外部导体之间的材料)中耗散。这种类型的功率损耗被称为“介电损耗”。对于同轴电缆,介电损耗线性地取决于频率,并且与在电缆的中心和外部导体之间使用的材料的介电常数(或介电常数)的平方根成比例。
电缆中的导电损耗和介电损耗的组合通常被称为其“衰减因子”,其通常以单位电缆长度的dB表示。衰减系数的值通常列在电缆制造商的数据表中。具有较大直径的电缆通常表现出较低的损耗,并且能够传输比较小的功率电平更高的功率电平。

 

3
截止频率 特征阻抗
截止频率是线缆可用的最大频率。高于其截止频率,通过其信号的质量会显著的劣化。电缆的截止频率与其直径成反比。因此,更小的电缆比更大的电缆能操作更高的频率。然而,出于所有实际目的,具有0.5‘’直径或更大直径的电缆具有远高于10GHz的截止频率。因此,大部分开关系统,对截止频率的关心比对线缆衰减的关心要小。
为了确保射频系统中从信号源到负载的功率最大限度的被接收,线缆的特征阻抗应该匹配源和负载端。大部分RF开关设备的特征阻抗不是50Ω就是75Ω (分别用于通信和视频应用),RF电缆通常也为这两个阻抗。电缆的特性基于其单位长度电阻、电导、电容和电感,其又取决于电缆的物理尺寸以及用于分离两个导体的电介质。

 

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做工
所用材料的结构和质量自然会影响电缆的性能。更好的材料质量将对电缆的传输性能有一定的提升,但它也会更昂贵。所有的同轴电缆均采用实心或绞合中心导体制造。这两种变体都有自己的优点合缺点。
绞合中心导体使线缆柔性好,由于电缆和连接器上的较低应力,它将持续更长时间。
具有实心中心导体的电缆通常制造成本更低,并且与单股电缆相比,每单位长度衰减更低。
除了中心导体的构造之外,外导体上的绝缘材料或缺少它也会影响电缆中的损耗。例如,具有实心绝缘外屏蔽的半刚性电缆类型通常具有所有电缆类型的最佳隔离规格。由于这种高隔离度,半刚性电缆是在噪声环境中传输RF信号的理想选择。
同于构造电缆的材料还决定其最小和最大工作温度。一些电缆类型设计为在户外或埋藏,而其他不是。在设计测试系统时应当小心,确保系统中使用的电缆能够承受其操作环境。

 

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线缆类型
半刚性电缆设计用于高性能应用(某些电缆超过100GHz),其中安装是永久性的,安装后电缆几乎不移动。
这种电缆适用于15GHz以上应用,编织结构提升了电缆的柔性。一旦弯折完毕,它将无限期的保持这个形状。这种电缆可以较少次数的弯曲成不同的形状,不会损坏。
柔性线缆有很多分类专业类型设计如低损耗、高功率、或额外的灵活性。柔性线缆的隔离性能通常变化很大,取决于外屏蔽导体的覆盖范围。
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线缆终端(连接器)
线缆终端连接原始同轴线到DUT或测试系统。终端在质量和成本上都可能存在很大差异。类似于线缆的选择,特定应用通常将确定哪个连接器是最合适的。将连接器连接到电缆有两种主要方法。给定合适的工具,两者可以手工组装。大多数制造商为它们销售的连接器提供装配说明。
焊接型连接器及处理工艺通过焊接将电缆的外屏蔽层链接到连接器的外金属件。这种类型的连接器设计为半刚性或适应性的电缆使用。当时用焊接型连接器时,要确保整个连接器主体周围有良好的焊脚。焊接连接通常比压接连接更牢固。

压接型连接器及处理工艺通过两者之间压缩连接将屏蔽和连接器主体固定在一起。此连接器类型最适合与柔性电缆一起使用。连接器通常具有两个部件,连接器本体和压接套管。在组装期间,电缆屏蔽件放置在两个部件之间,然后压接套筒围绕连接器本体变形。为了在使用这种类型的连接时获得最佳性能,压接接头应均匀,并使用制造商建议的压接工具制造。

 

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连接器类型
N型连接器具有坚固、高功率容量的特点,它的最大频率为11GHz,是较大的RF连接器之一。N型连接器采用可手动拧紧的螺纹接口。还提供75Ω版本的连接器,但是两个版本的连接器不兼容,如果75欧姆N型连接器连接到50Ω设备,则可能损坏75Ω连接器。大多数N型连接器设计适用于仅使用柔性同轴线缆的应用,对于一些具有灵活性的实心外导体的特殊电缆一样可设计为N型头。

SMA连接器对于射频射频来说是非常普遍使用的一种连接器,大多数RF厂商都会提供这种类型的连接。SMA连接器小于N型连接器,以前通常具有18GHz的较高频率限制,一些制造商提供的SMA v2.9连接器可以支持40 GHz频率,就像N型连接器,SMA也是螺纹口,但必须使用扭矩扳手拧紧,以获得最佳性能。SMA连接器仅用于50Ω的RF系统。它广泛的应用于半刚、半柔半刚、柔性缆。

SMB连接器使用按压接口(连接器通过将它们压在一起,通常与某种保持机制配合),允许更快地连接和断开。完全啮合时,连接器将卡扣在一起。SMB连接器的尺寸略小于SMA的尺寸。然而,这种连接器既不坚固也不精确,因此其频率范围仅限于4 GHz。SMB连接器可用于半刚型、适形型和柔性缆组件。标准SMB连接器仅针对50ΩRF应用设计。虽然存在75Ω SMB接口,但它的大小与50Ω SMB连接器不同。SMB连接不如SMA使用广泛。

BNC连接器时最古老的RF连接器之一,仍然广泛应用与频率为4GHz以下的应用。像SMB连接器一样,BNC连接器相对快速的连接和断开,并且利用卡口接线片用于电缆保持。电缆扭曲约1/4圈,知道卡口式凸耳将两半固定在一起。BNC连接器可用于几乎每种类型的额电缆和组装方式。

Mini-75Ω SMB比其他75Ω连接器的主要优点是其尺寸。 Mini-75 Ohm SMB连接器的额定频率为2-3 GHz,具体取决于制造商。

MCX连接器是为了在更小的封装尺寸下为RF连接器带来更高的性能。MCX是像SMB这样的连接器接口上的按钮,但是小了30%。MCX连接器额定值高达6GHz,不像带螺纹接口那样坚固,可提供50Ω/75Ω配置。此外,MCX电缆可能不如SMA或SMB常见,因此与SMB和SMA连接器相比,更难与MCX连接器连接。


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