射頻、微波和毫米波開關(guān)及開關(guān)矩陣
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射頻（RF）、微波和毫米波開關(guān)及開關(guān)矩陣具有多種重要功能，包括：
基本原理
在微波領(lǐng)域，開關(guān)的開發(fā)需要考慮輸入和輸出線路或端口的信號(hào)參數(shù)（如功率、幅度、相位、噪聲），這些參數(shù)會(huì)影響相鄰單元在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下的功能（見(jiàn)圖 1）。
圖 1. 開關(guān)速度參數(shù)
這些參數(shù)在開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)，以及從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)的過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化。上升時(shí)間 Trise 是指射頻信號(hào)從導(dǎo)通電平的 10% 上升到 90% 所需的時(shí)間。下降時(shí)間 Tfall 是指射頻信號(hào)從導(dǎo)通電平的 90% 下降到 10% 所需的時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間 Ton 是指從控制脈沖的 50% 到導(dǎo)通電平的 90% 的時(shí)間間隔。關(guān)斷時(shí)間 Toff 是指從控制脈沖的 50% 到導(dǎo)通電平的 10% 的時(shí)間間隔。理想的開關(guān)應(yīng)具有零 Ton 和 Toff（即零延遲以及零上升和下降時(shí)間），除了在輸出端對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)斷控制外，不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生瞬態(tài)振蕩或失真。
根據(jù)開關(guān)技術(shù)和開關(guān)結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的瞬態(tài)間隔可能具有不理想的振蕩特性。例如，在機(jī)械繼電器開關(guān)中，輸出信號(hào)邊沿的時(shí)間位置相對(duì)于控制信號(hào)的邊沿位置可能會(huì)以阻尼振蕩的方式延遲。這主要由三個(gè)因素導(dǎo)致：
1）線圈中的電感延遲；
2）觸點(diǎn)物理移動(dòng)所需的時(shí)間；
3）射頻觸點(diǎn)的彈跳時(shí)間。
即使是最簡(jiǎn)單的微波單刀單擲（SPST）開關(guān)，也可能出現(xiàn)其他干擾現(xiàn)象。這歸因于輸入或輸出對(duì)頻率相關(guān)的射頻反射的響應(yīng)、開關(guān)時(shí)刻與振蕩相位的不一致、高階傳輸線模式的出現(xiàn)、電路 S 參數(shù)對(duì)入射功率水平的依賴、瞬態(tài)的振蕩特性以及開關(guān)內(nèi)部輸入信號(hào)的非線性變換。
更復(fù)雜的開關(guān)在端口數(shù)量和位置上有所不同。對(duì)于多位置和矩陣開關(guān)，可以用多端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述，即：
（1）其中，[B] 和 [A] 分別是輸出和輸入電路的矩陣，[S] 是維度為 m×n 的散射（傳輸）矩陣，m 是輸入端口的數(shù)量，n 是輸出端口的數(shù)量。
公式（1）表示正弦信號(hào)通過(guò)具有已知入射和反射波參數(shù)的線性電路的理想化模型。在每個(gè)信號(hào)頻率下，公式（1）中的矩陣系數(shù)由開關(guān)的配置、尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。制造商通常會(huì)提供等效電路用于性能建模。為了評(píng)估高次諧波信號(hào)對(duì)信號(hào)頻譜的影響，該等效電路應(yīng)能較好地描述高于工作頻率幾倍的頻率下的行為。
對(duì)于具有歐姆接觸的開關(guān)，其導(dǎo)通狀態(tài)下帶寬的下限頻率是直流（DC）。電容式開關(guān)不能通過(guò)直流。導(dǎo)通狀態(tài)下的上限頻率由引入傳輸損耗的寄生電路參數(shù)決定。在關(guān)斷狀態(tài)下，上限頻率由寄生電容或隔離不良決定，寄生電容或隔離不良會(huì)導(dǎo)致輸入和輸出電路之間傳輸不需要的信號(hào)，同時(shí)還存在歐姆損耗。
大多數(shù)開關(guān)架構(gòu)是互易的，其正向和反向傳輸特性相同；然而，一些開關(guān)型號(hào)，例如使用鐵氧體或嵌入式放大器（即非互易元件）的開關(guān)，其輸入和輸出端口不能互換。
在大型開關(guān)矩陣中同時(shí)切換多個(gè)輸入和輸出端口時(shí)，需要確定各種初始狀態(tài)、最終狀態(tài)以及信號(hào)路徑。為了減少給定組合的數(shù)量，通常會(huì)使用定制軟件。
每個(gè)端口在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)以及轉(zhuǎn)換過(guò)程中的匹配條件變化非常重要，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致電路性能不佳。在這方面，開關(guān)電路可能會(huì)設(shè)計(jì)得較為復(fù)雜，以盡量減少開關(guān)瞬態(tài)的影響，并確保將匹配負(fù)載連接到開路端口。
開關(guān)的功率處理能力和使用壽命有限，這取決于開關(guān)原理、制造技術(shù)、材料以及應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在沒(méi)有入射射頻（即 “冷切換”）的情況下進(jìn)行切換，對(duì)開關(guān)的壓力較小，可靠性更高，生命周期更長(zhǎng)；而增加切換電流會(huì)降低可靠性和縮短使用壽命。
分類與參數(shù)
射頻、微波和毫米波開關(guān)具有多種特性、配置和結(jié)構(gòu)組合。根據(jù)開關(guān)配置，可以分為雙位置、多位置和矩陣開關(guān)。圖 2 展示了不同的類型。其基本功能是接通和斷開高頻電流流過(guò)的電路觸點(diǎn)。
圖 2. 開關(guān)配置：?jiǎn)蔚秵螖S（a）、雙刀單擲（b）、單刀雙擲（c）、雙刀雙擲（d）；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換 3x120 [1 - 2; 3 - 4; 5 - 6 或 2 - 3; 4 - 5; 1 - 6]（e）、旋轉(zhuǎn)三位置開關(guān) [1 - 3 或 1 - 4; 2 - 3 或 2 - 4]（f）以及單刀四擲（g）
最簡(jiǎn)單的機(jī)械單刀單擲（SPST）開關(guān)有兩個(gè)端子，可以連接或斷開（見(jiàn)圖 2a）。如果帶有兩個(gè)用于線圈的端子（如繼電器），則總共有四個(gè)端子。當(dāng)繼電器未通電時(shí)，觸點(diǎn)可以是常開或常閉的。增加一個(gè)輸出端就變成了單刀雙擲（SPDT）開關(guān)；一個(gè)輸出端導(dǎo)通，另一個(gè)輸出端關(guān)斷（見(jiàn)圖 2b）。這種結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到任意數(shù)量的輸出端口（即 SPNT），其中一個(gè)端口導(dǎo)通，其他端口關(guān)斷。雙刀雙擲（DPDT）開關(guān)有兩對(duì)端子（端口），相當(dāng)于由單個(gè)線圈驅(qū)動(dòng)的兩個(gè) SPST 開關(guān)或繼電器（見(jiàn)圖 2c）。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)是雙位置開關(guān)的一種變體，其轉(zhuǎn)子能夠在兩個(gè)正交位置之一進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定向，如圖 2d 所示。在轉(zhuǎn)子的第一個(gè)位置，端子（端口）1 和 2 以及 3 和 4 連接；在第二個(gè)位置，2 和 3 以及 1 和 4 連接。這種電路可用于插入或旁路放大器、改變天線在發(fā)射和接收（Tx/Rx）之間的連接，或者將兩個(gè)微波發(fā)射器連接到兩個(gè)備用天線。圖 2e 所示的具有三個(gè)間隔為 + 120 度觸點(diǎn)的類似電路適用于波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。為了增加 SPNT 開關(guān)的位置數(shù)量 N，可以組合更簡(jiǎn)單的電路（見(jiàn)圖 3）。
圖 3. SP16T 扇出開關(guān)的電氣框圖
開關(guān)可以通過(guò)機(jī)電（包括簧片）繼電器、固態(tài)繼電器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、非互易（如鐵氧體）元件實(shí)現(xiàn)，也可以手動(dòng)操作或通過(guò)可編程電路實(shí)現(xiàn)。繼電器是一種電動(dòng)操作開關(guān)，用于需要用低功率信號(hào)控制高功率電路的場(chǎng)合。在機(jī)電繼電器中，通過(guò)電磁鐵和射頻電路外部的機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接 / 斷開?；善^電器中使用真空密封觸點(diǎn)，借助外部靜磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)連接 / 斷開，其開關(guān)機(jī)構(gòu)和射頻導(dǎo)體是一體的。在固態(tài)繼電器中，利用輸入和輸出端口之間的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。這可以通過(guò)根據(jù)特定技術(shù)（如 PIN 二極管、砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和特定電路結(jié)構(gòu)連接（吸收式、反射式）改變半導(dǎo)體中的偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。在 MEMS 開關(guān)中，芯片表面形成一個(gè)微觀的機(jī)械導(dǎo)電帶，一端懸在觸點(diǎn)上方。這個(gè)機(jī)械致動(dòng)器在受控靜電力的作用下移動(dòng)，以連接輸入和輸出電路。通常，非互易鐵氧體開關(guān)是指那些改變磁場(chǎng)方向的開關(guān)。手動(dòng)控制的開關(guān)通常用于測(cè)量和校準(zhǔn)設(shè)備中。對(duì)于可編程開關(guān)，其狀態(tài)由數(shù)字控制單元的編碼信號(hào)控制。
故障安全模式是指開關(guān)在施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)切換到閉合位置，并且在電壓移除時(shí)始終返回到預(yù)定位置。這通常通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的復(fù)位彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。
鎖存繼電器有兩個(gè)松弛（雙穩(wěn)態(tài)）狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓移除或中斷時(shí)，開關(guān)保持在預(yù)選位置，直到施加電壓使其移動(dòng)到另一個(gè)位置。這可以通過(guò)磁性或機(jī)械鎖存機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
常開（NO）或 “按鈕接通” 模式是指開關(guān)的所有輸出端口在施加電壓以保持選定位置之前都與輸入端口斷開連接。電壓移除后，開關(guān)返回開路位置。極化繼電器在控制信號(hào)斷開后保持在最后一個(gè)穩(wěn)定位置。常閉（NC）或 “按鈕斷開” 模式可以根據(jù)電路狀態(tài)來(lái)區(qū)分。同時(shí)具有這兩種觸點(diǎn)的開關(guān)稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)。
終端匹配和非終端匹配的開關(guān)模式根據(jù)開路的負(fù)載情況不同而有所區(qū)別。終端匹配的開關(guān)在其結(jié)構(gòu)中每個(gè)輸出端口都包含一個(gè)內(nèi)部匹配負(fù)載，確保在關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)下電壓駐波比（VSWR）都較低（即導(dǎo)通狀態(tài)的端口與連接電路匹配，關(guān)斷狀態(tài)的端口與內(nèi)部負(fù)載匹配）。
自切斷功能是指在開關(guān)動(dòng)作后切斷致動(dòng)器電流?？梢酝ㄟ^(guò)與致動(dòng)器相連的串聯(lián)觸點(diǎn)或 IC 驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)切斷。此功能可將功耗降至最低。脈沖鎖存有時(shí)用于描述不具備此功能的開關(guān)。
阻塞矩陣開關(guān)在輸入和輸出端都有開關(guān)。因此，每個(gè)輸入信號(hào)都可以切換到一個(gè)單獨(dú)的輸出端口。阻塞開關(guān)矩陣的一個(gè)應(yīng)用示例是無(wú)線電和天線系統(tǒng)，其中每個(gè)無(wú)線電設(shè)備都連接到一個(gè)特定的天線。如果應(yīng)用需要一個(gè)輸入同時(shí)連接到多個(gè)輸出，則使用非阻塞矩陣。非阻塞開關(guān)矩陣用于多輸入多輸出（MIMO）收發(fā)器和衛(wèi)星站接收器等應(yīng)用中。
全扇入和 / 或全扇出矩陣的特點(diǎn)是具有與上游和下游端口的完整連接組合。矩陣的通道間串?dāng)_用于衡量高頻信號(hào)從一個(gè)通道泄漏到另一個(gè)通道的程度。它是通道之間的雜散電容、互感和泄漏電阻共同作用的結(jié)果。
低功率、中功率和高功率開關(guān)根據(jù)切換功率的水平進(jìn)行區(qū)分。
指示器用于告知系統(tǒng)開關(guān)所處的位置。指示器通常是一組與致動(dòng)器相連的內(nèi)部安裝直流觸點(diǎn)。
參數(shù)
以下是一些重要的性能參數(shù)：
開關(guān)和矩陣的通用規(guī)范和測(cè)試方法在 MIL-DTL-55041 中進(jìn)行了定義。
固態(tài)開關(guān)和矩陣
固態(tài)開關(guān)具有機(jī)電繼電器的功能，但沒(méi)有移動(dòng)部件，從而提高了長(zhǎng)期可靠性。固態(tài)開關(guān)還利用大規(guī)模半導(dǎo)體組裝和自動(dòng)化技術(shù)，降低了成本；并且它們占用的空間更?。ňw管處于微觀級(jí)別），這有助于緊湊型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
固態(tài)開關(guān)的特性在很大程度上取決于開關(guān)半導(dǎo)體元件的類型，例如正 - 本征 - 負(fù)（PIN）二極管、砷化鎵（GaAs）或氮化鎵（GaN）晶體管技術(shù)以及肖特基二極管。
開關(guān)信號(hào)的最高頻率 fmax、功率處理能力和開關(guān)速度是決定其性能優(yōu)勢(shì)的主要工程參數(shù)。最高頻率由半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特性決定。許多制造商用兩個(gè)主要參數(shù)來(lái)表征固態(tài)開關(guān)的輸入微波信號(hào)功率 Pmax：P1dB 和 PIP3。P1dB 是指?jìng)鬏敽瘮?shù)相對(duì)于小信號(hào)值下降 1dB 時(shí)的輸入功率。PIP3 是指兩個(gè)等電平正弦信號(hào) f1 和 f2 之和形式的測(cè)試信號(hào)的高頻功率，在該功率下，輸出中不需要的三階組合產(chǎn)物（2f1 - f2 和 f1 - 2f2）的電平等于頻率為 f1 和 f2 的信號(hào)電平。PIP3 的值越高，表明開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下處理更高輸入功率且輸出失真更小的能力越強(qiáng)。PIN 二極管開關(guān)的 PIP3 值比 P1dB 高 5 至 10dB。場(chǎng)效應(yīng)砷化鎵晶體管可將這一差值提高到 20 至 25dB。
圖 4. 各種開關(guān)配置示意圖：串聯(lián)（a）、并聯(lián)（b）和串并聯(lián)（c）
固態(tài)開關(guān)可以串聯(lián)、并聯(lián)或組合連接（見(jiàn)圖 4），這些器件的電阻會(huì)根據(jù)偏置情況達(dá)到最大值或最小值。許多制造商都提供射頻、微波和毫米波范圍內(nèi)的固態(tài)開關(guān)和矩陣。
PIN 二極管開關(guān)
使用 PIN 二極管的開關(guān)設(shè)計(jì)可以采用并聯(lián)、串聯(lián)或復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在射頻及更高頻率下，無(wú)論是采用并聯(lián)還是串聯(lián)方式，單個(gè) PIN 二極管通常很難實(shí)現(xiàn)超過(guò) 40dB 的隔離度。PIN 二極管可以設(shè)計(jì)用于高功率（幾十到幾百瓦）和多倍頻程帶寬的應(yīng)用；然而，其代價(jià)是更高的損耗和更低的隔離度。
表 1 展示了一些采用 PIN 二極管技術(shù)的開關(guān)型號(hào)的典型參數(shù)。
圖 5. PIN 單刀 24 擲開關(guān)型號(hào) PSW24 - 0618 - 13 - 11（圖片由 Paciwave Inc. 提供）
它們?cè)谖锢斫Y(jié)構(gòu)、架構(gòu)（例如從單刀單擲到單刀 36 擲）、工作頻率（0.1 至 40GHz）、吸收式與反射式配置、功率處理能力和開關(guān)時(shí)間等方面存在差異。圖 5 展示了一款 6 至 18GHz 的 PIN 二極管單刀 24 擲開關(guān)的外觀。它的隔離度為 60dB，插入損耗為 10dB，開關(guān)速度為 30ns，平均功率處理能力為 100mW，峰值功率為 2W。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管 / 砷化鎵開關(guān)
圖 6. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)的典型框圖
開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）是一種三端口器件（見(jiàn)圖 6），源極和漏極端口之間的通道形成射頻信號(hào)的傳導(dǎo)路徑，柵極端口控制信號(hào)是否通過(guò)。在柵極和通道之間施加直流控制電壓即可實(shí)現(xiàn)此功能。與 PIN 二極管開關(guān)相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)的帶寬相對(duì)較窄、功率水平較低（小于 1W）、損耗更低（小于 0.8dB）且隔離度更高。
固態(tài)開關(guān)制造商采用專利解決方案來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器（用于將 TTL 或 CMOS 輸入電壓轉(zhuǎn)換為砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)所需的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯電路，以達(dá)到合適的工作速度）。砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)電路中有三個(gè)基本元件：TTL 輸入緩沖部分、電壓轉(zhuǎn)換器和互補(bǔ)輸出緩沖級(jí)（見(jiàn)圖 7）。獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器 IC 能夠使性能與需求相匹配，例如實(shí)現(xiàn)控制特性的線性化。嵌入 IC 的驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)最小尺寸和最低電流消耗。
圖 7. 砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器框圖（圖片由 M/A - COM 微電子部門提供）
表二展示了采用砷化鎵技術(shù)的單片微波集成電路（MMIC）固態(tài)開關(guān)的一些參數(shù)。使用氮化鎵技術(shù)的固態(tài)開關(guān)在高開關(guān)速度、高開關(guān)功率、良好的關(guān)斷狀態(tài)隔離以及低導(dǎo)通狀態(tài)損耗方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?
評(píng)論