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一、射頻和微波開關(guān)
鑒于通信行業(yè)的爆炸性增長，從射頻集成電路（RFIC）和微波單片集成電路（MMIC）等有源元件到完整的通信系統(tǒng)的各種組件需要大量測試。雖然這些部件的測試要求和程序差別很大，但所有部件都是在非常高的頻率下進(jìn)行測試的，通常在吉赫茲范圍內(nèi)。測試系統(tǒng)的主要部件可能包括直流偏壓、直流測量、射頻功率計、網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻源和其他儀器。自動化測試過程和提高測試效率需要將射頻/微波和低頻開關(guān)系統(tǒng)集成到測試系統(tǒng)中。
射頻（或微波）信號有不同于直流或低頻交流信號的開關(guān)考慮因素，包括插入損耗、串?dāng)_、傳輸延遲和無端接的短截線。因此，射頻信號的開關(guān)配置旨在將信號損耗降至最低，并通過系統(tǒng)保持特性阻抗。SPDT、級聯(lián)、樹或矩陣開關(guān)可用于微波信號路由。
二、微波開關(guān)類型
可用的微波開關(guān)配置包括一個簡單的單刀雙擲（SPDT）開關(guān)、多位置開關(guān)、級聯(lián)和樹開關(guān)、矩陣開關(guān)。
2.1 SPDT開關(guān)
SPDT開關(guān)有一個輸入端口，可以連接到兩個輸出端口中的一個。多位置開關(guān)將一個輸入端口連接到多個輸出端口之一。pickering的SPDT射頻開關(guān)最多可有17個通道，頻率最高可達(dá)8GHz，阻抗為50 ohm和75 ohm。
2.2 級聯(lián)開關(guān)
級聯(lián)開關(guān)使用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出之一。路徑長度（因此，相位延遲）會有所不同，這取決于信號必須經(jīng)過的繼電器數(shù)量。
級聯(lián)開關(guān)用于將一臺儀器連接到具有最小阻抗不連續(xù)性的多個設(shè)備或測試點(diǎn)之一。這一點(diǎn)很重要，主要是在10MHz及更高的頻率下防止不必要的信號反射。這種反射會在振幅測量中產(chǎn)生誤差。如圖1所示，任何一個繼電器的啟動都會斷開所有其他設(shè)備與電源的連接。在本例中，如果通道1（通道1）被激活，則從源到設(shè)備2建立一個恒定的阻抗路徑。所有其他設(shè)備都與此路徑隔離。利用兩個級聯(lián)開關(guān)組，可以對每個被測設(shè)備進(jìn)行源和測量連接。級聯(lián)配置的優(yōu)點(diǎn)是沒有未端接短截線，并且配置易于擴(kuò)展。級聯(lián)配置的一個缺點(diǎn)是，信號可能通過多個開關(guān)觸點(diǎn)傳遞到被測設(shè)備，導(dǎo)致信號損失更大。傳播延遲隨路徑長度的增加而大。
圖1. 級聯(lián)開關(guān)配置
2.3 樹開關(guān)
圖2所示的樹開關(guān)配置是級聯(lián)配置的替代方案。與級聯(lián)配置相比，樹技術(shù)需要更多的繼電器用于相同大小的系統(tǒng)，但是給定路徑和任何未使用路徑之間的隔離可能會更好一些。這將減少串?dāng)_和直流泄漏。樹形開關(guān)配置也用于大于10MHz的頻率。
樹配置的優(yōu)點(diǎn)包括沒有未端接短截線，以及通道具有相似的特性。然而，給定路徑中的多個繼電器意味著會有更大的損耗。
圖2. 多路復(fù)用（兩層樹開關(guān)）
例如pickering40-876-104 3GHz多路復(fù)用開關(guān)板卡、40-881A-002 8 GHz多路復(fù)用開關(guān)板卡均采用樹形配置，阻抗為50 ohm和75 ohm。
2.4 矩陣開關(guān)
矩陣開關(guān)可以將任何輸入連接到任何輸出。微波開關(guān)中使用兩種矩陣：阻塞矩陣和非阻塞矩陣。一個阻塞矩陣將任何一個輸入連接到任何一個輸出。其他輸入和輸出不能同時連接。非阻塞矩陣允許通過矩陣同時連接多條路徑。級聯(lián)開關(guān)是多位置開關(guān)的另一種形式。
對于矩陣，構(gòu)建給定交換系統(tǒng)所需的射頻繼電器和電纜的數(shù)量（成本高）與系統(tǒng)輸入和輸出的數(shù)量相關(guān)。矩陣開關(guān)有三種基本類型：阻塞矩陣、非阻塞矩陣和完整或部分訪問矩陣。
圖3和圖4都是4×4的開關(guān)矩陣。區(qū)別在于可以同時切換多少信號。圖3的阻塞矩陣允許將單個輸入連接到任何單個輸出。因此，在任何給定時間只有一個信號路徑是可用的。
圖4中的非阻塞矩陣允許同時連接多個輸入/輸出信號路徑，如果需要，可連接到矩陣輸入的完整數(shù)量。隨著繼電器和電纜數(shù)量的增加，這種配置更加靈活和昂貴。
盡管可以關(guān)閉多條路徑，但這僅適用于直流測試，例如，對多個DUT施加連續(xù)偏壓。考慮阻抗要排除在射頻和微波測試中關(guān)閉多條路徑。
完整或部分訪問矩陣，也稱為完整或部分輸出端數(shù)矩陣（圖5），允許同時將輸入連接到多個輸出。這種矩陣需要在每個輸入端都有一個功率分配器，在輸出端需要一個多位置開關(guān)。
這些開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)包括沒有未端接的短截線、可使用所有通道以及類似的路徑特性。缺點(diǎn)包括需要廣泛的布線和使用許多同軸繼電器。
Pickering的40-884A-001 10 MHz - 8 GHz矩陣開關(guān)，是4 x 4通道，阻抗為50 ohm和75 ohm，可以使用任何矩陣開關(guān)位置。
圖3. 單通道阻塞矩陣
圖4. 非阻塞矩陣
圖5. 完全訪問矩陣
三、射頻開關(guān)選擇和設(shè)計注意事項
在選擇射頻開關(guān)系統(tǒng)時，要考慮一些關(guān)鍵電氣規(guī)范包括串?dāng)_（路徑隔離）、插入損耗、電壓駐波比（VSWR）和帶寬。在設(shè)計射頻開關(guān)系統(tǒng)時，可能影響開關(guān)系統(tǒng)性能的其他因素包括阻抗匹配、端接、功率傳輸、信號濾波器、相位畸變和布線。開關(guān)的使用不可避免地會降低測量系統(tǒng)的性能，因此重要的是要考慮幾個可能顯著影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計階段，成本和收益經(jīng)常相互權(quán)衡，以獲得最佳解決方案。
3.1 串?dāng)_
串?dāng)_是測量高頻信號從一個通道泄漏到另一個通道。它是通道間雜散電容、互感和漏電電阻的結(jié)果，通常在特定頻率下以分貝表示。
圖6顯示了串?dāng)_的一個例子。在本例中，10V交流信號源（v1）通過開關(guān)卡的通道1連接到負(fù)載電阻（r）。交流電壓表（V2）通過通道2連接到第二信號源。
通道1和通道2之間的阻抗（Z）引起的串?dāng)_以分貝為單位規(guī)定為：
這個方程也可以用射頻功率表示
圖6. 串?dāng)_例子
為了在通道2上找到由于通道1上的信號而產(chǎn)生的最大信號，方程式為V2：
V2 = V1 [10^(crosstalk (dB)/20)]
例如，如果通道隔離或串?dāng)_規(guī)格為–60dB，通道1上的10V信號將導(dǎo)致在信號源設(shè)置為零伏的情況下，在V2處出現(xiàn)以下電壓：
V2 = V1 [10^(–60/20)]
V2 = 10V (10–3)
V2 = 10mV
如果要在通道2處測量的信號只有幾毫伏，則該附加電壓將導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。
如果開關(guān)將用于直流或甚低頻交流信號，考慮并聯(lián)電容的漏電電阻的隔離可能更容易。
3.2 隔離
是對開關(guān)卡上路徑之間的漏電電阻的測量。路徑可以在任何終端和接地（共模）之間，也可以在任何兩個終端之間。例如，可以是任意兩個通道（通道到通道）之間的電阻，也可以是給定通道（差分）的Hi和Lo輸入之間的電阻。絕緣是根據(jù)電阻和電容來規(guī)定的。隔離度應(yīng)盡可能高，以避免切換高阻抗電路時出錯。
通常不需要驗證開關(guān)板卡上的隔離電容，因為電容是機(jī)械功能，不應(yīng)隨時間變化。相反，隔離電阻會隨著時間的推移而變化，因為它會受到濕度變化的影響，也會受到環(huán)境或開關(guān)板卡操作造成的污染的影響。
絕緣電阻的測量通常是通過提供電壓，然后用靜電計或皮安計測量產(chǎn)生的電流來完成的。隔離電阻按R = V/I計算。如何執(zhí)行隔離測量的一般說明如下。
a. 通道到通道。這是多路復(fù)用器開關(guān)卡上任意兩個通道之間的隔離測量。在一個通道打開和一個通道關(guān)閉的情況下進(jìn)行測量。
兩極A型開關(guān)板卡的測量示例（通道1到通道2）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將通道1的HI和LO端口連接在一起。
(3). 將通道2的HI和LO端口連接在一起。
(4). 關(guān)閉通道2
(5). 測量通道1輸入和通道2輸入之間的電阻。
b. 輸入隔離，差分。這是給定通道上的HI和LO之間的隔離。這種電阻包括繼電器兩極之間的漏電以及印刷電路板引起的漏電。
兩極A型開關(guān)板卡測量示例（通道1）：
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 關(guān)閉通道1。
(3). 測量HI和LO輸出之間的電阻。
c. 輸入隔離，共模。這是給定通道的輸入（hi和lo）與保護(hù)或屏蔽之間的隔離。本規(guī)范僅適用于帶保護(hù)或屏蔽的兩極卡和帶保護(hù)的三極卡。
測量實例（通道1）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將通道1的HI和LO端口連接在一起。
(3). 關(guān)閉通道1
(4). 測量輸出端口和防護(hù)或屏蔽端口之間的電阻。
d. 路徑。矩陣卡的路徑隔離是從一條路徑的HI和LO終端到任何其他路徑的HI和LO終端的阻抗。通常，通過在兩個相鄰路徑之間施加電壓（即100 V）來測量絕緣，然后測量泄漏電流。然后用歐姆定律（R = V/I）計算隔離電阻。
兩極矩陣板卡的測量示例（第1行，第1列至第2行，第2列）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將第1列的HI和LO端口連接在一起。
(3). 將第2列的HI和LO端口連接在一起。
(4). 關(guān)閉第1行、第1列和第2行、第2列的交叉點(diǎn)。
(5). 測量第1列和第2列之間的電阻。
3.3 插入損耗
插入損耗是由于信號通路中的開關(guān)而導(dǎo)致的信號量減小的度量。插入損耗以分貝為單位，通常以50 ohm電源和50 ohm負(fù)載，并以特定頻率給出。
圖7是將輸出阻抗（ZS）為50 ohm的電壓源（VS）連接到輸入阻抗（ZL）為50 ohm的電壓表的射頻開關(guān)卡的示意圖。
圖7. 插入損耗示例
插入損耗計算如下：
為了確定插入損耗如何影響信號，可以根據(jù)插入損耗計算電壓表處的測量值（VL），如下所示：
VL = VS /10^[Loss(dB)/20], 損失用正值表示。
如果VS為10 V且插入損耗小于1.0 dB，則：
VL > 10V/ 10^(1.0/20), VL大于 8.9 V。
3.4 電壓駐波比
開關(guān)卡的電壓駐波比（VSWR）規(guī)定了連接器和開關(guān)信號路徑與傳輸線的特性阻抗的匹配程度。更具體地說，電壓駐波比是駐波最大點(diǎn)的電壓與駐波相鄰最小點(diǎn)的電壓之比。當(dāng)電壓駐波比等于1時，傳輸線不存在反射波。當(dāng)電壓駐波比大于1時，部分開關(guān)信號被反射回電源，小于最大功率的信號將被傳輸?shù)截?fù)載。低電壓駐波比對于設(shè)計用于信號串聯(lián)多個元件的開關(guān)系統(tǒng)至關(guān)重要。電壓駐波比還通過以下方式與反射系數(shù)相關(guān)
式中：ρ=反射系數(shù)
反射系數(shù)是反射波電壓與入射波電壓之比，其計算公式為
式中：ZL =負(fù)載阻抗，ZS =開關(guān)卡的阻抗
為防止出現(xiàn)問題，系統(tǒng)中的所有組件都應(yīng)具有較低的電壓駐波比。電壓駐波比也可以表示為回波損耗
如圖8所示，系統(tǒng)的電壓駐波比為1.50:1，回波損耗為14dB，正向功率為50W，反射功率為2W。
圖8. 阻抗失配示例
3.5 3dB帶寬
3dB帶寬是通過開關(guān)卡的正弦波信號的最大推薦頻率。這是信號降低到中頻信號電平0.707倍的頻率。
本規(guī)范基于單開關(guān)卡。如果兩個或多個卡連接在一起，3dB帶寬將減少。
如果開關(guān)用于數(shù)字信號，最小帶寬可通過以下方式確定：
帶寬（Hz）=0.35/上升時間（s）
3.6 阻抗匹配
假設(shè)開關(guān)位于測量儀器和被測設(shè)備之間，匹配系統(tǒng)中所有元件的阻抗水平至關(guān)重要。為了實現(xiàn)最佳信號傳輸，源的輸出阻抗應(yīng)等于開關(guān)、電纜和被測器件的特性阻抗。在射頻測試中，最常用的阻抗等級是50 ohm和75 ohm，無論需要哪種阻抗等級，適當(dāng)?shù)钠ヅ涠寄鼙ＷC整個系統(tǒng)的完整性。
輸入電壓駐波比和信號路徑電壓駐波比決定了測量精度的限制：
失配不確定度（dB） = 20 × log (1 ± |Γ |^2 )
反射系數(shù)：Γ = (VSWR -1) /(VSWR + 1)
如果信號路徑輸出和儀器輸入在一個頻率下都具有1.3:1的良好VSWR，那么僅由失配引起的不確定性為±0.15dB。
3.7 端接
在高頻下，所有信號必須正確端接，否則電磁波將從終止點(diǎn)反射。反過來，這將導(dǎo)致電壓駐波比的增加。未端接開關(guān)在其關(guān)閉狀態(tài)下增加了電壓駐波比，而端接開關(guān)將嘗試提供50歐姆匹配開或關(guān)。如果反射功率足夠大，電壓駐波比的增加甚至?xí)p壞電源。通過系統(tǒng)的所有路徑必須以其特性阻抗終止。
3.8 功率傳輸
另一個重要的考慮因素是系統(tǒng)將射頻功率從儀器傳輸?shù)奖粶y設(shè)備的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。在其他應(yīng)用中，可能有必要降低DUT的信號功率。可能需要一個放大器或衰減器來確保通過開關(guān)傳輸所需的功率電平。
3.9 信號濾波器
信號濾波器在許多情況下都是有用的，例如，當(dāng)信號通過開關(guān)時，雜散噪聲被無意中添加到信號中。有助于解決原始信號頻率與被測設(shè)備的測試頻率不匹配問題。可以在開關(guān)上添加濾波器以修改信號頻率帶寬，或者可以從到被測設(shè)備的信號中消除不需要頻率的雜散信號。
3.10 相位畸變
隨著測試系統(tǒng)尺寸的擴(kuò)大，來自同一個源的信號可能通過不同長度的路徑傳輸?shù)奖粶y設(shè)備，從而導(dǎo)致相位畸變。這個規(guī)范通常被稱為傳播延遲。對于給定的傳導(dǎo)介質(zhì)，延遲與信號路徑的長度成正比。不同的信號路徑長度將導(dǎo)致信號相位偏移。這種相移可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。為了最小化相位失真，保持路徑長度不變。
