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射頻與微波開關係統的設計與應用
來源:黄瓜视频app下载官方污科技   發布時間:2016-04-12  瀏覽數:1722    【收藏本頁】

摘要

  隨著802.11ac和LTE產品的發展,對相應的功能測試係統也提出來更高的要求。與測試分析儀器相匹配的開關係統在尺寸,結構形式,性能等多方麵均發生了較大的變化。采用6GHz固態繼電器作為核心器件,使開關係統的體積更緊湊,切換速度更快,並大幅降低了係統成本。

  1. 射頻/微波開關係統的技術特點

  隨著無線通訊技術在軍民各種領域應用越來越廣泛,與之相應的測試測量工具和技術也相應迅速發展。在各種射頻/微波信號測試與仿真係統中,合理部署質量可靠、性能穩定、使用方便、價格適中的開關係統可以大幅提高設備應用效率,擴展係統規模。

  與低頻開關矩陣係統相比,構建與擴展射頻/微波開關矩陣係統具有獨特的特點,這些特點主要體現在機械結構、電氣性能、使用方法、價格成本等方麵。

  在麵向汽車電子測試、半導體測試等領域的應用中,廣泛采用的矩陣開關係統通常基於低頻或射頻繼電器,通過合理設計PCB來實現大規模的矩陣開關係統。繼電器置於行“總線”與列線的交叉點位置,用於建立或斷開信號連接,通過設計不同的行線與列線數量可以實現不同規模的開關矩陣。在PXI單槽模塊中可承載超過500個開關節點。下圖1所示為低頻與射頻開關矩陣內部的典型結構。

  

  圖1.低頻開關矩陣結構示意圖

  這類開關係統產品規格眾多,用戶可以根據測試需求直接選擇規模和電氣指標適當的產品,也比較容易通過多個模塊相互連接進行規模擴展。如上圖,將兩個模塊的Y1-Y4對應連接即可將2個132x4規模的開關矩陣組合為1個264x4的開關矩陣。

  對於低頻開關矩陣,產品硬件設計的重點是保障良好的導通性能與盡可能高的信號帶寬,提供完備的故障診斷工具並在硬件設計上充分保證用戶快速維修。

  而對於射頻與微波應用,開關係統的設計具有其獨特的特點。為了保證射頻性能,一般采用多個多路複用開關的相互組合來實現射頻矩陣,以保持每個通道的信號完整性。下圖2所示為10GHz 4x4開關矩陣的內部的典型連接關係示意圖。

  

  圖2. 自動端接並可擴展的10GHz 4x4微波開關矩陣結構示意圖

  微波開關矩陣產品內部的特殊結構對矩陣係統的電氣和機械性能產生以下影響:

  1) 射頻性能:每建立一個信號通道,微波信號至少需要通過2個微波開關觸點和3條微波電纜,使得通道的插入損耗和VSWR升高,因此高性能的器件和良好的裝配工藝可以顯著提高最終產品的性能。通常10GHz的4x4矩陣VSWR不高於1:1.6,插入損耗不高於3.6dB。

  2) 產品機械結構:微波多路複用器器件的尺寸通常比較大,以典型器件Radiall 12.4GHz SP6T微波繼電器為例,其外部尺寸達到了 63.5mm X 63.5mm X 60mm,而低頻與射頻繼電器的典型尺寸僅為4.8mm X 7.6mm X 19.1mm,因此大規模微波開關矩陣更適合采用獨立設備的形式。

  3) 擴展性:低頻開關矩陣的擴展可以采用線路直接並聯的方式,而射頻與微波開關矩陣在進行規模擴展時必須保持信號通路完整,應通過擴展端口(Loop-Through)連接兩個或更多開關設備。如圖2所示,每組SP6T基本單元中有1個通道用做擴展端口,1個通道用做自動端接器端口,以保證多個4x4矩陣可以連接組成4x8,8x8等規模。

  4) 操作:由於微波矩陣內部結構的特殊性,使得用戶使用時需要操作的開關數量增加,提高了使用難度,但通過優化的驅動軟件,用戶幾乎可以無需了解其內部結構。

  5) 使用成本:微波開關矩陣的價格昂貴,因此在設計測試係統時必須嚴格優化微波矩陣,將其控製在一個合理的規模。在進行連接時必須嚴格注意線纜與設備的連接器是否匹配,一旦損壞接口連接器將可能導致高昂的維修費用。

  2. 案例:802.11ac/LTE MIMO測試中開關產品的設計

  近年來隨著802.11a,802.11n,802.11ac等采用5GHz載波的無線通訊技術的發展,與之性能相匹配的測試產品也不斷進步。

  針對MIMO測試,廣泛采用的是多組VSA與VSG的組合,典型的係統為支持4x4 MIMO的802.11ac測試係統可以在1個18槽3U PXI係統中實現。

  通過開關係統可以將進一步擴展為可支持多個被測設備的自動測試係統

  一個解決方案是基於前述微波電磁繼電器(或稱機電繼電器)構建微波開關係統。圖3為典型的10GHz 4x4微波矩陣產品解決方案,采用LXI通訊接口,尺寸為2U全尺寸可上架機箱。單價可達¥150,000。

  

  圖3. 4x4 10GHz微波矩陣

  上述產品曾大規模應用於消費電子產品的生產測試,用戶對其性能比較滿意,但其尺寸較大,切換速度相對較低,價格昂貴,這些不利因素限製了其在商用領域應用的空間。在此類測試中,對開關的技術要求主要體現為:切換速度快,使用壽命長,體積小,信號功率較低。6GHz固態繼電器開關的出現恰使得應用於 MIMO測試的開關係統得以進一步優化。6GHz恰好覆蓋了包括802.11ac在內的各種無線通訊新技術的載波頻段,彌補了此前在3GHz到10GHz 之間開關矩陣產品的空白。

  6GHz開關產品的基本功能單元是由4個固態SPDT開關和1個端接器構成的SP4T多路複用器,如圖4所示。通過SP4T功能單元的組合構成4x4開關矩陣。固態繼電器的使用大幅減小了電路的尺寸,並將通道切換速度從毫秒級提高到微秒級。6GHz開關矩陣完全符合當前對新一代無線通訊產品的測試需求,其尺寸僅占3個PXI槽位,價格僅為原解決方案1/3左右,大大降低了開關係統成本。配合成熟的驅動程序和應用軟件,此產品已經成為新一代測試係統的首選。

  

  圖4. 4x4 6GHz固態繼電器矩陣結構示意圖

  

  圖5. 采用固態繼電器的4x4 6GHz 微波矩陣

  下表1為兩類產品的典型特性對比。

  

  3. 總結

  射頻技術的發展對測試技術提出了更高的要求,同時也推動了測試技術的發展。開關技術作為測試技術的典型代表,近年來發展迅速,用戶對設備尺寸、價格、可維護性等方麵均提出了更高的要求。本文以兩種典型案例介紹了射頻/微波開關係統的最新發展。