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射频接头开关基础知识

发布日期:2019-04-28   作者:   来源:   编辑:   访问量:293

射频接头开关和微波开关以高效率通过传输路径路由信号。四个基本电气参数表征了这些开关设计的执行方式。

几个电气参数与射频和微波开关设计的性能有关,但由于它们之间的强相互依赖性,有四个被认为对设计者至关重要:隔离,插入损耗,开关时间和功率处理。

隔离是衡量开关关闭效率的指标。它是电路输入和输出端口之间的衰减。插入损耗或传输损耗是通过开关处于接通状态时损失的总功率。插入损耗是设计人员最关键的参数,因为它可能直接添加到系统的噪声系数中。开关时间是开关将状态从变为所需的时间。这段时间可以从大功率开关中的几微秒到低功率,高几纳秒高速设备。开关时间的最常见定义是从输入控制电压(TTL)的50%到最终RF输出功率的90%测量的时间。

SP12T EM开关的一个例子,使用12个不同的SMA母同轴连接器。

RF和微波开关可分为两个主要组:机电(EM)继电器开关和固态(SS)开关。有几种可能的设计配置,从单极/单掷(SPST)到单极/十六掷或更高(SP16T),其中一个输入可以在16种不同的输出状态之间切换。转换开关采用双刀双掷(2P2T)设计。它们有四个端口,具有两种可能的开关状态,并且能够在两个源之间切换负载。

EM RF开关通常是较大的组件,因为它们包含一系列线圈和机械触点。与普通继电器一样,电激励线圈移动继电器触点。EM继电器开关具有低插入损耗(<0.1 dB),高隔离度(> 85 dB),并且可以以毫秒的速度切换信号。主要优点是它们可以在直流和高达毫米波频率(50+ GHz)下工作,并且不易受静电放电(ESD)影响。它们可以处理高功率水平(高达几千瓦的峰值功率)并且没有视频泄漏。

当涉及EM RF开关时,需要注意一些操作问题。它们的标准使用寿命可以限制在大约一百万次循环,并且组件可以对振动敏感。工作寿命是指EM开关在满足所有RF和可重复性规范的同时完成的周期数。需要更长使用寿命的应用可以使用更高质量或高可靠性的EM开关,这些开关具有出色的可靠性和性能,运行寿命高达1000万次。更长的使用寿命来自更加坚固设计的执行器和传动连杆,该连杆经过优化,具有磁效率和机械刚性。根据MIL-STD-2002,它们还可以承受更严格的正弦和随机振动以及机械冲击的环境条件。

例如,RF接头开关,其工作寿命为100万次,以及高可靠性EM RF开关,可持续2501000万次循环。一种这样的设备是型号PE71S6064,这是一种SP2T高可靠性开关设计,可在直流至40 GHz范围内工作,并可保证高达1000万次循环。

高可靠性RF开关的一个例子是 PE71S6064。它采用SP2T EM设计,工作频率范围为DC40 GHz,保证1000万次。

相比之下,固态RF开关具有较低的封装外形并且通常在物理上小于EM版本,因为电路组件是平面的并且不包含庞大的部件。开关元件是高速硅PIN二极管,场效应晶体管(FET)或集成硅或FET MMIC(单片微波集成电路)。这些开关与其他分立芯片组件(如电容器,电感器和电阻器)集成在电路板组件上。

使用PIN二极管电路的开关可以处理更多功率,而基于FET的开关通常具有更快的开关速度。当然,固态开关没有活动部件,因此它们的使用寿命是无限的。它们具有高隔离度(6080+ dB),超快的开关速度(<< 100 nsec),电路组件可以很好地抵抗冲击和振动。

SS RF开关需要考虑的其他因素包括插入损耗。它不如EM版本那么好,并且它们在低频下使用有限,操作仅低于千赫兹范围(它们不能直流到直流)。这种限制来自半导体二极管固有的载流子寿命特性。


PIN二极管开关的一个例子是 PE7167。它采用SP4T设计,工作频率范围为500 MHz40 GHz,最大开关速度为100 ns。在固态开关中,PIN二极管基本上用作可变电阻器,其电阻由直流偏置控制。

此外,SS RF开关对ESD更敏感。它们的功率处理能力取决于开关设计和连接器类型以及工作频率和温度暴露。一些PIN二极管开关设计可以处理高达几千瓦峰值功率的功率水平,但是需要通过较慢的开关速度进行权衡。一个例子是的型号PE7167,一种SP4T PIN二极管开关设计,工作频率范围为500 MHz40 GHz,最大开关速度为100 ns,输入功率处理高达+20 dBm

总而言之,SS RF开关比EM版本更可靠,使用寿命更长,切换速度更快。因此,它们在快速切换速度和高可靠性至关重要的应用中是首选。具有低至直流的宽频率覆盖和低插入损耗需求的应用是EM RF开关的候选应用,如果长寿是绝对必要的,则优选高可靠性版本。

设计人员还应了解与这些开关设计相关的其他功能。50Ω电阻负载就是一个例子。开关电路中任何未使用的开路传输线都有可能在微波频率下谐振。共振可能会导致功率反射回有源电源并对其造成损坏,尤其是在工作频率为26 GHz或更高的系统中,隔离度会大幅下降。许多传输线设计为具有50Ω阻抗,因此包含50Ω电阻负载的RF开关反射的能量很少。

EM RF开关分类为端接或未端接。在终止版本中,当所有路径以50Ω负载终止时,所选路径将关闭,因此所有电流都将被切断或隔离。入射信号能量被终止电阻吸收,因此没有反射回来。未端接的开关没有50Ω负载。因此,阻抗匹配必须在系统的其他部分进行,以减少反射。但未端接的开关具有较低的插入损耗。

机电式RF开关的典型特性示例可在PE71S6064 SPDT器件的原理图中找到。它有一个28-Vdc闭锁执行器和单独的触点,用于指示开关的位置。它还在其未使用的端口上集成了50个终端。

电磁继电器机构对EM RF开关也很重要。当线圈通电时,感应磁场移动电枢线圈,从而打开或关闭触点。一些型号是非锁定的并且具有常闭初始位置。弹簧或磁铁的力保持开关闭合,而没有电流流动。常闭设备对于如果断电必须返回已知状态的应用非常有用。

其他型号具有锁定机制。它们没有默认位置,并且在未通电的情况下保持最后位置。锁存继电器在功耗和耗散问题时非常有用。用于触点的线圈仅在继电器关闭时瞬间消耗功率。

EM RF开关需要考虑的另一个特性包括一组连接到线圈的辅助直流触点,用于切换RF路径。辅助触点通常控制指示灯或指示灯指示RF路径的位置。它们还可用于向外部控制系统提供状态信息。

某些型号具有故障安全模式,当线圈没有施加电压时,该模式始终将RF路径返回到断电位置。但是这个特征要求将电压连续施加到线圈以保持通电位置。这种连续通电可以导致较低的平均故障间隔时间(MTBF),而不是锁定开关设计。


单刀双掷(SPDTRF开关的一个例子是使用PIN二极管作为开关元件和无源元件,将RFDC偏置信号路径去耦。RF公共端口可以在典型应用中连接到系统天线,其中RF12连接到发射器和接收器。PIN二极管用作RF电阻器,其具有由二极管正向偏置直流电流的大小控制的电阻。DC偏置电流通常可以调整典型PIN二极管的RF电阻超过三个或更多个数量级。当二极管偏置时,它具有接近开路的高阻抗。

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