在射頻自動測試系統(tǒng)中該如何選用開關

開關元件的關鍵性能指標

今天的高速制造要求在測試儀器和開關接口及自動測試系統(tǒng)中使用高性能和可重復的開關元件。這些開關通常按如下特性定義:

頻率范圍

射頻和微波應用的頻率范圍從半導體的100 MHz 直至衛(wèi)星通信的60 GHz。工作頻帶很寬的測試附件因擴展頻率覆蓋而增加了測試系統(tǒng)的靈活性。但寬工作頻率有可能影響到其它重要參數(shù)。

插入損耗

插入損耗對于測試也是至關重要的。大于1 dB 或2 dB 的損耗會衰減信號的峰值電平，增加上升沿和下降沿的時間。在高頻應用環(huán)境，對能量進行有效的傳輸有時需要付出比較高的代價，所以機電開關在轉換路徑上引入的額外損耗應該盡可能地的最低。

回波損耗

回波損耗以dB 表示，它是電壓駐波比(VSWR) 的量度。回波損耗由電路間的阻抗不匹配造成。在微波頻率范圍，材料特性和網(wǎng)絡元件的尺寸在確定分布效應造成的阻抗匹配或失配上起重要作用。

性能的一致性

低插入損耗性能的一致性可減小測量路徑中的隨機誤差源，從而改進測量精度，開關性能的一致性和可靠性保證了測量精度，并因延長校準周期和增加測試系統(tǒng)運行時間而降低擁有成本。

隔離度

隔離度是在所關注的端口處檢測到對無用信號的衰減程度。在高頻時，隔離度變得尤為重要。

VSWR

開關的VSWR 由機械尺寸和制造公差確定。差的VSWR 表明存在由阻抗不匹配造成的內(nèi)部反射，這些反射造成的寄生信號會導致符號間干擾(ISI)。這些反射通常在靠近連接器處產(chǎn)生，因此好的連接器匹配和正確的 負載連接是關鍵性的測試要求。

開關速度

開關速度定義為開關端口(開關臂) 狀態(tài)從“通”到“斷”，或從 “斷”到“通”所需要的時間。

穩(wěn)定時間

由于開關時間只是規(guī)定達到射頻信號穩(wěn)定值/最終值的90% 的值，因此在準確度和精密度的要求下，穩(wěn)定時間成為固態(tài)開關更重要的性能。Keysight的GaAs FET 開關采用專利設計，它能極大減弱柵極滯后效應，從而把穩(wěn)定時間減小至不到350 μs。

承載功率

承載功率定義為開關承載功率的能力，它與設計及使用的材料密切相關。當切換時在開關端口上存在射頻∕微波功率時，即產(chǎn)生熱切換。在切換前已移除信號功率時，即產(chǎn)生冷切換。冷切換獲得較低的接觸面應力和較長的壽命。

負載

在許多應用中，50Ω的負載端接是非常重要的。在開關接到一個有源器件時，沒有負載端接的路徑的反射功率可能會損壞源。機電開關可分成有負載端接的和沒有負載端接的兩類。固態(tài)開關可分成吸收式和反射式兩類。

等長路徑

有些應用為實現(xiàn)幅度匹配和相位匹配要求等長的路徑。在差分信號系統(tǒng)或相位匹配至關重要的系統(tǒng)中，推薦采用同樣長度的相位匹配路徑。

視頻泄漏

可把視頻泄漏看成是當不存在射頻信號時，開關射頻端口上出現(xiàn)的寄生信號。這些信號來自開關驅動器產(chǎn)生的波形，特別是來自于驅動PIN 二極管高速開關所需要的前沿電壓尖峰。

使用壽命

長的使用壽命將降低每次開關的成本和預算制約，使制造商在今天價格敏感市場上更富競爭力。

開關的結構

開關的不同結構形式為各種應用和頻率提供建造復雜矩陣和自動測試系統(tǒng)的靈活性。下面是典型的開關結構

Keysight同軸機電開關特性

長使用壽命 — 插入損耗的一致性保證在0.03 dB 以內(nèi)。

Keysight EM 同軸開關以精心設計的工藝流程生產(chǎn)，并有嚴格的質量保證。L 系列的設計保證其在使用了2 百萬次之后仍能達到插入損耗一致性指標的要求，一般情況下L系列開關可使用5 百萬次。高性能開關系列更保證在使用5 百萬次之后仍達到插入損耗一致性指標的要求，一般情況下高性能開關可以使用一千萬次。Keysight 機電開關保證在二百萬次或五百萬次使用壽命期間達到0.03 dB 的插入損耗一致性。

獨特的設計－擦拭動作機制避免碎屑的聚集，以保證可靠地切換。

Keysight EM 開關采用了許多獨特的技術，包括每次開關之后清潔中心導體觸點的擦拭機制，從而避免一般EM 開關設計中常遇的碎屑聚集問題，如圖1。

圖1：清潔中心導體觸點的擦拭機制

機電開關的典型應用

機電開關多用于開關矩陣系統(tǒng)，用來測試通信設備中的器件，低插入損耗對這種測試應用是至關重要的，并且還要能承受較高的功率。機電開關廣泛用于對基本信號進行路由和針對具體的應用組成開關矩陣，例樹形矩陣或全通路矩陣。它們也可用于在測量系統(tǒng)或在多源∕多器件開關系統(tǒng)中對有源器件進行旁路。

機電開關應用

應用要求

推薦開關

應用實例1——多端口器件的2端口測量

下圖2顯示對多端口器件作2 端口測量的測試設置；對于一個完整的測試環(huán)境的設置可能還需額外的EM 開關。綠色線表示的是把小功率信號施加給DUT 進行S 參數(shù)測量，藍色線是把大功率信號施加給DUT 進行諧波失真測量。您可通過改變EM 開關的端口來選擇要進行的測量。

圖2：這種配置方式能讓測試設備在大功率和小功率測量間之間進行切換

應用實例2——用于信號路由的靈活配置

Keysight EM 開關可在各種應用中提高系統(tǒng)靈活性和簡化系統(tǒng)設計。一種最通常的應用是在開關矩陣自動測試系統(tǒng)中用開關把多個輸入信號路由至多個輸出。下面是一些可能配置的例子。為滿足您的需要，您也可隨意地配置Keysight 開關。

圖3：開關矩陣用高性能多端口開關把多個輸入信號同時路由到多個輸出信號

圖4：1X16全交叉開關矩陣

圖5：6X6“公共高速公路”

Keysight固態(tài)開關特性

快開關速度

低視頻泄漏

寬頻率范圍

超長的使用壽命

固態(tài)開關非?？煽?，由于能耐受沖擊、振動和機械磨損，因此工作壽命也比機電開關長。固態(tài)開關也有更快的開關時間。但因其固有的較高導通電阻，所以插入損耗要高于機電開關。有鑒于此，對于快開關速度和長壽命為關鍵要求的系統(tǒng)，應優(yōu)先選擇固態(tài)開關。在測試半導體器件時，開關矩陣系統(tǒng)中通常會使用固態(tài)開關，因為此類測試要求高的開關速度，而對承載功率要求并不高。