獨家首發(fā)|技術大牛詳解射頻開關基礎知識

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

射頻和微波開關可在傳輸路徑內高效發(fā)送信號,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。

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。插入損耗(也稱傳輸損耗)為開關處于導通狀態(tài)下時損耗的總功率。由于插入損耗可直接導致系統(tǒng)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。

開關時間是指開關從“導通”狀態(tài)轉變?yōu)椤敖刂埂睜顟B(tài)以及從“截止”狀態(tài)轉變?yōu)椤皩ā睜顟B(tài)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。此外,功率處理能力定義為開關在不發(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個不同SMA母同軸連接器的單刀十二擲機電式開關一例

射頻和微波開關可分為機電式繼電器開關以及固態(tài)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(tài)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(tài),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(yōu)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(fā)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(yōu)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(yōu)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(huán)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。

舉例而言,Pasternack提供使用壽命為100萬次的標準機電式射頻開關,以及使用壽命為250萬~1000萬次的可靠性機電式射頻開關。該公司型號為PE71S6064的單刀雙擲可靠性開關即為上述產品中的一種,其工作頻率范圍為DC~40GHz,且保證使用壽命達1000萬次。

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

相比之下,由于固態(tài)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(tài)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(tài)開關不包含活動部件,因此其使用壽命是無限的。此外,固態(tài)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(tài)射頻開關的其他值得注意的性能包括其插入損耗。固態(tài)射頻開關在插入損耗方面劣于機電式開關。此外,固態(tài)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。

作為PIN二極管開關的一例,圖示為Pasternack的PE7167單刀四擲開關,其工作頻率為500MHz~40GHz,最大開關速度為100納秒。在固態(tài)開關中,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節(jié)。

此外,固態(tài)射頻開關對靜電放電更為敏感,且其功率處理能力取決于開關構型、連接器類型、工作頻率以及環(huán)境溫度。某些構型的PIN二極管開關雖然可處理峰值為數千瓦的功率,但是同時需以更低的開關速度為代價。PIN二極管開關的一例為Pasternack的PE7167單刀四擲開關,該產品的工作頻率為500MHz~40GHz,最大開關速度為100納秒,輸入功率處理能力最高可達+20dBm。

總體而言,與機電式開關相比,固態(tài)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(yōu)先選擇固態(tài)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(yōu)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(yōu)先選擇高可靠性開關。

如以上示意圖所示,Pasternack的PE71S6064單刀雙擲開關使用機電式射頻開關的數種典型構件,包括直流28V閉鎖致動器,連接開關狀態(tài)指示燈的數個獨立觸片,以及設于閑置端口的50歐姆終端匹配電阻

設計人員應該了解上述各種開關產品的其他特征,例如50歐姆電阻性負載。開關電路中,任何閑置的開路傳輸線路都有可能在微波范圍內的頻率下發(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,從而對其造成損害。對于工作頻率為26 GHz或更高的系統(tǒng)而言,由于隔離度大大下降,上述損害將更為嚴重。因此,多數傳輸線路都設計有50歐姆的阻抗,從而使得射頻開關在內置50歐姆電阻性負載后,反射能量極少。

機電式射頻開關分為端接型和非端接型兩類。在端接型開關中,當所有通道均端接50歐姆負載時,則關閉選定的通道,從而將所有電流截止或隔離。如此,入射信號的能量將由端接電阻吸收,而不反射回射頻源。非端接型開關內不設置50歐姆負載,因此必須由系統(tǒng)的其他部分實現(xiàn)可降低能量反射的阻抗匹配。非端接型開關的優(yōu)點在于其插入損耗較小。

圖示為單刀雙擲射頻開關一例,其使用PIN二極管作為開關元件以及作為隔斷射頻通道與直流偏置信號通道的無源器件。在典型應用中,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節(jié)。一般情況下,對于典型PIN二極管而言,直流偏置電流可在三個或更多數量級范圍內調節(jié)其射頻電阻值。當上述二極管處于偏置截止狀態(tài)時,其阻抗高至接近斷路電路的阻抗。

機電式射頻開關的另一個重要特征在于其電樞繼電器機制。線圈通電時,感應磁場將使電樞線圈發(fā)生移動,從而打開或關閉觸點。非閉鎖開關內設有彈簧或磁鐵,其可在電流不流通時,將開關保持于一初始常閉狀態(tài)。此類開關適用于電源中斷時須使開關恢復至某一已知狀態(tài)的應用中。

閉鎖開關內設有閉鎖機構,而且無缺省位置,因此其保持斷電前的最后狀態(tài)。由于閉鎖繼電器開關的觸點線圈只有在繼電器斷開的一瞬間消耗電能,因此其適用于對功率的耗散成問題的應用場合。

此外,某些其他類型的開關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),因此與閉鎖開關相比,使用此模式的開關的平均故障間隔時間較短。

機電式射頻開關的另一個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。通常狀態(tài)下,這些輔助觸點用于控制指示燈或信號燈,使其表示射頻通道的狀態(tài)。此外,這些觸點還可用于為外部控制系統(tǒng)提供狀態(tài)信息。

開關詳細信息

固態(tài)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(tài)皆實現(xiàn)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(xiàn)。

固態(tài)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(tài)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(tài)可實現(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。

機電式和固態(tài)射頻開關可制成多種具有不同封裝規(guī)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(xù)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(huán)境隔離密封的“商用級”封裝,到可承受惡劣環(huán)境條件的嚴格密封“高可靠級”封裝。

作者:Pasternack公司有源射頻/微波產品經理Tim Galla

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