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射頻開關基礎知識介紹

 射頻微波開關可在傳輸路徑內高效發送信號。此類開關的功能可由四個基本電氣參數加以表征。

雖然多個參數與射頻和微波開關的性能相關,然而以下四個由于其相互間較強的相關性而被視為至關重要的參數:隔離度,插入損耗,開關時間,功率處理能力。

 

1. 隔離度即電路輸入端和輸出端之間的衰減度,是衡量開關截止有效性的指標。

2. 插入損耗(也稱傳輸損耗)為開關處于導通狀態下時損耗的總功率。由于插入損耗可直接導致系統噪聲系數的增大,因此對于設計者而言,插入損耗是最為關鍵的參數。

3. 開關時間是指開關從“導通”狀態轉變為“截止”狀態以及從“截止”狀態轉變為“導通”狀態所需要的時間。該時間上可達高功率開關的數微秒級,下可至低功率高速開關的數納秒級。開關時間的最常見定義為自輸入控制電壓達到其50%至最終射頻輸出功率達到其90%所需的時間。

4. 功率處理能力定義為開關在不發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。

射頻和微波開關可分為機電式繼電器開關以及固態開關兩大類。這些開關可設計為多種不同構型——從單刀單擲到可將單個輸入轉換成16種不同輸出狀態的單刀十六擲,或更多擲的構型。切換開關為一種雙刀雙擲構型的開關。此類開關具有四個端口以及兩種可能的開關狀態,從而可將負載在兩個源之間切換。

機電式繼電器開關的插入損耗較低(<0.1dB),隔離度較高(>85dB),且可以毫秒級的速度切換信號。此類開關的主要優點在于,其可在直流~毫米波(>50 GHz)頻率范圍內工作,而且對靜電放電不敏感。此外,機電式繼電器開關可處理較高的功率水平(達數千瓦的峰值功率)且不發生視頻泄漏。

然而,在機電式射頻開關的操作中,有一些問題值得我們注意。此類開關的標準使用壽命大約只有100萬次,而且其組件對振動較為敏感。使用壽命是指機電式開關在滿足射頻及重復性要求的情況下所能完成的總開關次數。高質量或高可靠性機電式開關適用于需要更長使用壽命的應用場合。此類開關的可靠性和其他性能極其優越,而且使用壽命長達1000萬次。上述較長使用壽命源自于設計更為牢固的致動器以及在磁效率和機械剛性方面更為優化的傳動連桿。此外,此類開關還設計為可承受更為嚴酷的環境條件,并滿足MIL-STD-2002標準在正弦和隨機振動以及機械沖擊方面的要求。

 

相比之下,由于固態射頻開關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電式開關。固態射頻開關使用的開關元件為高速硅PIN二極管或場效應晶體管(FET),或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開關元件與電容器,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二極管電路的開關產品具有更高的功率處理能力,而FET類型的開關產品通常具有更快的開關速度。當然,由于固態開關不包含活動部件,因此其使用壽命是無限的。此外,固態開關的隔離度較高(60~>80dB),開關速度極快(<<100納秒),電路的耐沖擊/振動性較好。

固態射頻開關的其他值得注意的性能包括其插入損耗。固態射頻開關在插入損耗方面劣于機電式開關。此外,固態射頻開關在低頻應用中具有局限性。這是因為其工作頻率下限只能到千赫級,而非直流。這一局限源于其所使用半導體二極管固有的載流子壽命特性。

總體而言,與機電式開關相比,固態射頻開關的可靠性更高,使用壽命更長,開關速度更快。因此,在對開關速度和可靠性要求更高的應用中,應該優先選擇固態射頻開關;在需要寬頻段覆蓋低至直流以及低插入損耗的應用中,優先選擇機電式開關;在以長使用壽命為絕對要求的應用中,優先選擇高可靠性開關.

固態射頻開關可分為吸收型和反射型兩種。吸收型開關在其每個輸出端口設置50歐姆終端匹配電阻,從而在通止兩態皆實現較低的電壓駐波比(VSWR)。設置于上述輸出端口的終端電阻可吸收入射信號能,而未接終端匹配電阻的端口將反射信號。當輸入端信號必須在開關內傳播而過時,上述開放端口即與終端匹配電阻斷開,從而允許該信號的能量可完整地自該開關傳播而出。吸收型開關適用于需最大限度減小射頻源所受回波反射的應用場合。

相比之下,反射型開關內不設終端電阻,以達到降低開放端口的插入損耗的目的。反射型開關適用于對端口之外的高電壓駐波比不敏感的應用場合。此外,在反射型開關內,阻抗匹配由除端口之外的其他構件實現。

固態開關的另一個值得注意的重要特征為其驅動電路。某些類型的固態開關內集成有輸入控制電壓驅動器,這些驅動器的輸入控制電壓邏輯狀態可實現特定的控制功能——為保證二極管可獲得反向或正向偏置電壓提供必要電流。

機電式和固態射頻開關可制成多種具有不同封裝規格和連接器類型的產品——大多數工作頻率高達26GHz的同軸開關產品使用SMA連接器;高達40GHz的使用2.92mm或K型連接器;達50GHz的使用2.4mm連接器;達65GHz的使用1.85mm連接器。

帶波導端口的開關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的高功率通信信號。使用大的N型或TNC連接器的同軸開關產品具有更高的功率處理能力(可處理高達數百瓦的連續波功率)。此外,不同用途的產品可采用不同的封裝形式——從不與環境隔離密封的“商用級”封裝,到可承受惡劣環境條件的嚴格密封“高可靠級”封裝。

 


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