獨(dú)家首發(fā)|技術(shù)大牛詳解射頻開關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

射頻和微波開關(guān)可在傳輸路徑內(nèi)高效發(fā)送信號(hào),功能可由四個(gè)基本電氣參數(shù)加以表征。雖然多個(gè)參數(shù)與射頻和微波開關(guān)的性能相關(guān),然而以下四個(gè)由于其相互間較強(qiáng)的相關(guān)性而被視為至關(guān)重要的參數(shù):隔離度,插入損耗,開關(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,是衡量開關(guān)截止有效性的指標(biāo)。插入損耗(也稱傳輸損耗)為開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)下時(shí)損耗的總功率。由于插入損耗可直接導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲系數(shù)的增大,因此對(duì)于設(shè)計(jì)者而言,插入損耗是最為關(guān)鍵的參數(shù)。

開關(guān)時(shí)間是指開關(guān)從“導(dǎo)通”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖刂埂睜顟B(tài)以及從“截止”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)通”狀態(tài)所需要的時(shí)間。該時(shí)間上可達(dá)高功率開關(guān)的數(shù)微秒級(jí),下可至低功率高速開關(guān)的數(shù)納秒級(jí)。開關(guān)時(shí)間的最常見定義為自輸入控制電壓達(dá)到其50%至最終射頻輸出功率達(dá)到其90%所需的時(shí)間。此外,功率處理能力定義為開關(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(jī)電式開關(guān)一例

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

機(jī)電式繼電器開關(guān)的插入損耗較低(<0.1dB),隔離度較高(>85dB),且可以毫秒級(jí)的速度切換信號(hào)。此類開關(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(nèi)工作,而且對(duì)靜電放電不敏感。此外,機(jī)電式繼電器開關(guān)可處理較高的功率水平(達(dá)數(shù)千瓦的峰值功率)且不發(fā)生視頻泄漏。

然而,在機(jī)電式射頻開關(guān)的操作中,有一些問題值得我們注意。此類開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命大約只有100萬次,而且其組件對(duì)振動(dòng)較為敏感。使用壽命是指機(jī)電式開關(guān)在滿足射頻及重復(fù)性要求的情況下所能完成的總開關(guān)次數(shù)。高質(zhì)量或高可靠性機(jī)電式開關(guān)適用于需要更長使用壽命的應(yīng)用場合。此類開關(guān)的可靠性和其他性能極其優(yōu)越,而且使用壽命長達(dá)1000萬次。上述較長使用壽命源自于設(shè)計(jì)更為牢固的致動(dòng)器以及在磁效率和機(jī)械剛性方面更為優(yōu)化的傳動(dòng)連桿。此外,此類開關(guān)還設(shè)計(jì)為可承受更為嚴(yán)酷的環(huán)境條件,并滿足MIL-STD-2002標(biāo)準(zhǔn)在正弦和隨機(jī)振動(dòng)以及機(jī)械沖擊方面的要求。

舉例而言,Pasternack提供使用壽命為100萬次的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電式射頻開關(guān),以及使用壽命為250萬~1000萬次的可靠性機(jī)電式射頻開關(guān)。該公司型號(hào)為PE71S6064的單刀雙擲可靠性開關(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(dá)1000萬次。

作為可靠性機(jī)電式射頻開關(guān)的一例,圖示為Pasternack的PE71S6064單刀雙擲機(jī)電式開關(guān),其工作頻率范圍為DC~40GHz,保證使用壽命達(dá)1000萬次

相比之下,由于固態(tài)射頻開關(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(jī)電式開關(guān)。固態(tài)射頻開關(guān)使用的開關(guān)元件為高速硅PIN二極管或場效應(yīng)晶體管(FET),或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開關(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二極管電路的開關(guān)產(chǎn)品具有更高的功率處理能力,而FET類型的開關(guān)產(chǎn)品通常具有更快的開關(guān)速度。當(dāng)然,由于固態(tài)開關(guān)不包含活動(dòng)部件,因此其使用壽命是無限的。此外,固態(tài)開關(guān)的隔離度較高(60~>80dB),開關(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)射頻開關(guān)在插入損耗方面劣于機(jī)電式開關(guān)。此外,固態(tài)射頻開關(guān)在低頻應(yīng)用中具有局限性。這是因?yàn)槠涔ぷ黝l率下限只能到千赫級(jí),而非直流。這一局限源于其所使用半導(dǎo)體二極管固有的載流子壽命特性。

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

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

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

如以上示意圖所示,Pasternack的PE71S6064單刀雙擲開關(guān)使用機(jī)電式射頻開關(guān)的數(shù)種典型構(gòu)件,包括直流28V閉鎖致動(dòng)器,連接開關(guān)狀態(tài)指示燈的數(shù)個(gè)獨(dú)立觸片,以及設(shè)于閑置端口的50歐姆終端匹配電阻

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解上述各種開關(guān)產(chǎn)品的其他特征,例如50歐姆電阻性負(fù)載。開關(guān)電路中,任何閑置的開路傳輸線路都有可能在微波范圍內(nèi)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(duì)其造成損害。對(duì)于工作頻率為26 GHz或更高的系統(tǒng)而言,由于隔離度大大下降,上述損害將更為嚴(yán)重。因此,多數(shù)傳輸線路都設(shè)計(jì)有50歐姆的阻抗,從而使得射頻開關(guān)在內(nèi)置50歐姆電阻性負(fù)載后,反射能量極少。

機(jī)電式射頻開關(guān)分為端接型和非端接型兩類。在端接型開關(guān)中,當(dāng)所有通道均端接50歐姆負(fù)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(hào)的能量將由端接電阻吸收,而不反射回射頻源。非端接型開關(guān)內(nèi)不設(shè)置50歐姆負(fù)載,因此必須由系統(tǒng)的其他部分實(shí)現(xiàn)可降低能量反射的阻抗匹配。非端接型開關(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關(guān)一例,其使用PIN二極管作為開關(guān)元件以及作為隔斷射頻通道與直流偏置信號(hào)通道的無源器件。在典型應(yīng)用中,所示公共射頻端可連接系統(tǒng)天線,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(diào)節(jié)。一般情況下,對(duì)于典型PIN二極管而言,直流偏置電流可在三個(gè)或更多數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其射頻電阻值。當(dāng)上述二極管處于偏置截止?fàn)顟B(tài)時(shí),其阻抗高至接近斷路電路的阻抗。

機(jī)電式射頻開關(guān)的另一個(gè)重要特征在于其電樞繼電器機(jī)制。線圈通電時(shí),感應(yīng)磁場將使電樞線圈發(fā)生移動(dòng),從而打開或關(guān)閉觸點(diǎn)。非閉鎖開關(guān)內(nèi)設(shè)有彈簧或磁鐵,其可在電流不流通時(shí),將開關(guān)保持于一初始常閉狀態(tài)。此類開關(guān)適用于電源中斷時(shí)須使開關(guān)恢復(fù)至某一已知狀態(tài)的應(yīng)用中。

閉鎖開關(guān)內(nèi)設(shè)有閉鎖機(jī)構(gòu),而且無缺省位置,因此其保持?jǐn)嚯娗暗淖詈鬆顟B(tài)。由于閉鎖繼電器開關(guān)的觸點(diǎn)線圈只有在繼電器斷開的一瞬間消耗電能,因此其適用于對(duì)功率的耗散成問題的應(yīng)用場合。

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

機(jī)電式射頻開關(guān)的另一個(gè)值得注意的特征為與射頻通道切換線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(hào)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(tǒng)提供狀態(tài)信息。

開關(guān)詳細(xì)信息

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

相比之下,反射型開關(guān)內(nèi)不設(shè)終端電阻,以達(dá)到降低開放端口的插入損耗的目的。反射型開關(guān)適用于對(duì)端口之外的高電壓駐波比不敏感的應(yīng)用場合。此外,在反射型開關(guān)內(nèi),阻抗匹配由除端口之外的其他構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。

固態(tài)開關(guān)的另一個(gè)值得注意的重要特征為其驅(qū)動(dòng)電路。某些類型的固態(tài)開關(guān)內(nèi)集成有輸入控制電壓驅(qū)動(dòng)器,這些驅(qū)動(dòng)器的輸入控制電壓邏輯狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)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(jī)電式和固態(tài)射頻開關(guān)可制成多種具有不同封裝規(guī)格和連接器類型的產(chǎn)品——大多數(shù)工作頻率高達(dá)26GHz的同軸開關(guān)產(chǎn)品使用SMA連接器;高達(dá)40GHz的使用2.92mm或K型連接器;達(dá)50GHz的使用2.4mm連接器;達(dá)65GHz的使用1.85mm連接器。

帶波導(dǎo)端口的開關(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(nèi)的高功率通信信號(hào)。使用大的N型或TNC連接器的同軸開關(guān)產(chǎn)品具有更高的功率處理能力(可處理高達(dá)數(shù)百瓦的連續(xù)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(jí)”封裝,到可承受惡劣環(huán)境條件的嚴(yán)格密封“高可靠級(jí)”封裝。

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

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