測試系統(tǒng)阻抗匹配與開關(guān)質(zhì)量的評價

如果已知駐波的最大幅值和最小幅值，那么圖4中系統(tǒng)的VSWR就可以按照下式計算出來了：

VSWR還可以用于計算信號的回波損耗：

總的傳輸線損耗通常等于導(dǎo)線上的功率損耗(也稱為傳導(dǎo)損耗或電阻損耗)和系統(tǒng)內(nèi)阻抗失配引起反射導(dǎo)致的損耗。在如圖6所示的射頻系統(tǒng)中，50-W的源和負(fù)載通過一條1m、75-W的同軸電纜連接在一起。在這個例子中，總的功率反射是由兩個阻抗不連續(xù)點導(dǎo)致的，第一個點位于源和傳輸線之間，第二個點位于傳輸線和負(fù)載之間。

即使假設(shè)圖6中的傳輸線是無損的，圖7中左邊的圖表示介入損耗也多達0.7dB，這一損耗僅僅是由系統(tǒng)中的阻抗不連續(xù)而造成的。該圖中波峰和波谷之間的距離主要取決于所用線纜的長度。圖7中右邊的圖假設(shè)傳輸線有一定的傳導(dǎo)和電阻損耗。該圖中曲線的斜率表示該線纜的傳導(dǎo)和介電損耗，而曲線的波紋是由于回波損耗隨頻率的變化而造成的(在這個例子中多達0.7dB)。

反射現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在不匹配的射頻系統(tǒng)中，而且出現(xiàn)在不匹配的射頻系統(tǒng)元件中。因此，阻抗匹配不僅僅是最終用戶需要考慮的問題，而且也是射頻儀器和器件(例如發(fā)生器、分析儀和開關(guān))的制造商需要考慮的問題。例如，一個PXI射頻開關(guān)是由多個不同的元件組成的，包括PCB(Printed-Circuit-Board，印制電路板)線路、內(nèi)部線纜和射頻繼電器。其中任何元件之間的阻抗失配都會嚴(yán)重影響開關(guān)的VSWR和回波損耗指標(biāo)。由于各個廠商在射頻開關(guān)模塊的設(shè)計和元器件的選擇上各有不同，因此我們必須檢查最終產(chǎn)品的VSWR和介入損耗這兩項指標(biāo)，以確保可能由開關(guān)引起的信號反射幅值符合要求，并且要分析介入損耗的大小，判斷該射頻開關(guān)模塊是否能夠滿足特定測試系統(tǒng)的需要。

高性能的射頻開關(guān)在選擇元器件和設(shè)計方案時會盡可能地減少阻抗失配，保證盡可能小的介入損耗和反射，以減少高頻下的測量誤差。射頻開關(guān)中實際使用的繼電器的品質(zhì)對整個開關(guān)的性能有很大的影響。制造射頻開關(guān)模塊時最常用的兩種繼電器是PCB裝配的繼電器和同軸開關(guān)。

PCB裝配的繼電器有多種可能的配置，其中有一種是Form C SPDT(single-pole double-throw，單刀雙擲)繼電器。將多個SPDT繼電器安裝在一個PCB上可以構(gòu)成更大規(guī)模的開關(guān)，例如多選開關(guān)(SP4T以及更多的擲數(shù))或者開關(guān)矩陣。例如，美國國家儀器公司(www.ni.com)提供的PXI-2547型50-W、2.7GHz、8 1多選開關(guān)就是由七個Form C PCB裝配的SPDT繼電器構(gòu)成的。

多個廠商都能夠生產(chǎn)用于構(gòu)建多選開關(guān)的PCB裝配式繼電器，其中某些型號的性能可達幾個GHz。由于在PCB的裝配設(shè)計中，繼電器的引線是焊接在PCB上的，因此開關(guān)模塊的制造商必須采用一種阻抗受控的方式將I/O連接器與繼電器連接在一起。這需要使用具有合適幾何結(jié)構(gòu)及適當(dāng)長度的PCB布線，以及高品質(zhì)的連接器和線纜。采用50-W PCB布線的75-W開關(guān)模塊就是一個設(shè)計糟糕的模塊實例。由于PCB布線和用于構(gòu)成開關(guān)的其他元件之間存在阻抗失配，所以這種產(chǎn)品對于高頻信號會引起嚴(yán)重的功率損耗。因此，制造開關(guān)的設(shè)計專家對于使用PCB裝配器件方式構(gòu)成的開關(guān)模塊的性能有著至關(guān)重要的影響。盡管繼電器的內(nèi)部阻抗無法改變，但是采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)能夠最大限度地減少由于阻抗不連續(xù)而導(dǎo)致的反射問題。NI公司的PXI-2547(如圖8所示)采用了精心的設(shè)計方案，將介入損耗控制在3dB以下(在2.7GHz的帶寬下，介入損耗通常低于1.6dB)。

使用同軸開關(guān)或“罐”式結(jié)構(gòu)的模塊相比基于PCB元件裝配的方式具有更大的性能優(yōu)勢。由于整個射頻傳輸通路都包含在外殼中，由同軸連接器提供與測試信號的接口，因此同軸開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的介入損耗。但是，這種結(jié)構(gòu)的成本比PCB裝配的繼電器更高，同時占用的系統(tǒng)空間也更大。美國國家儀器公司的PXI-2596型26.5-GHz 雙6 1多選開關(guān)就采用了同軸開關(guān)的結(jié)構(gòu)，它在26.5GHz頻率下的介入損耗低于0.6dB。

如前所述，開關(guān)模塊的設(shè)計在PCB裝配式開關(guān)模塊的設(shè)計中尤為重要，這是因為：與同軸開關(guān)不同，這種模塊中與繼電器的接口是通過分開的線纜和PCB布線實現(xiàn)的。連接器通常會導(dǎo)致信號反射，因此在選擇連接器時必須十分慎重。對于大多數(shù)PCB裝配式設(shè)計，某個模塊需要工作的最高頻率決定了所使用的連接器類型。SMA連接器具有尺寸小、性能高的特點，常用于大多數(shù)50-W的應(yīng)用。它們具有50-W的特性阻抗，不適合用于75-W的開關(guān)模塊中。

在設(shè)計PCB裝配式開關(guān)模塊時，也必須考慮PCB布線的影響。PCB布線的阻抗必須與繼電器和連接器的阻抗相匹配，它的大小取決于銅線的幾何結(jié)構(gòu)以及所使用的介質(zhì)材料。開關(guān)模塊PCB設(shè)計中最常用的傳輸線類型包括微帶、帶狀線和CPW(Coplanar Waveguide，共面波導(dǎo))。每種類型都有其優(yōu)勢和弱點。例如，帶狀線比微帶線具有更好的隔離度。但是，由于帶狀線需要在信號布線層的上面和下面都設(shè)置接地面，因此它需要采用通孔(很難實現(xiàn)阻抗匹配)來實現(xiàn)較好的電氣連接性能。CPW在不同的布線寬度下能夠保持特性阻抗不變，但是它與接地面的間隙寬帶必須做相應(yīng)地變化。

上述各個因素對于射頻開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計是非常重要的。選擇高品質(zhì)的射頻產(chǎn)品對于實現(xiàn)高性能的射頻測試系統(tǒng)是必不可少的。但是它們不能彌補糟糕的系統(tǒng)設(shè)計所帶來的問題。如果在一個75-W的測試系統(tǒng)中傳輸信號，即使采用最好最昂貴的50-W射頻開關(guān)也會導(dǎo)致嚴(yán)重的反射問題。因此，實現(xiàn)高性能的射頻測量系統(tǒng)應(yīng)該選用阻抗匹配的元件。