設(shè)計(jì)與構(gòu)建完美的開關(guān)測試系統(tǒng)

　　測試中常常會(huì)遇到這樣的情況：系統(tǒng)中的開關(guān)非常完美，沒有信號(hào)損失或泄漏；所有的信號(hào)以點(diǎn)到點(diǎn)的方式進(jìn)行傳輸，沒有信號(hào)衰減。但是，系統(tǒng)的功能卻不正常。這是為什么呢？本文將剖析在測試系統(tǒng)中配置開關(guān)時(shí)常見的一些錯(cuò)誤，并介紹幾種有助于避免這些開關(guān)錯(cuò)誤的正確設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　常見錯(cuò)誤的來源

　　設(shè)計(jì)者在配置開關(guān)測試系統(tǒng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些常見的錯(cuò)誤，其中大多數(shù)錯(cuò)誤很容易發(fā)現(xiàn)并糾正。下面所介紹的是一些相對容易發(fā)現(xiàn)的問題。

　　繼電器開路——繼電器或開關(guān)在理想的開路狀態(tài)下，接觸點(diǎn)之間的阻值是無窮大的。實(shí)際上，其中總是存在一定的有限阻值，關(guān)鍵是要確定這些開路阻值大小，以判斷它是否會(huì)影響信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸。

　　繼電器閉合——繼電器或開關(guān)在理想的閉合情況下，觸點(diǎn)之間是沒有電阻的。實(shí)際上，開關(guān)總是有很小的閉合電阻。大多數(shù)觸點(diǎn)都有幾個(gè)毫歐量級的電阻。這一阻值通常在使用過程中會(huì)不斷增大。大部分繼電器在報(bào)廢時(shí)的接觸電阻大約為2Ω左右。即使在這樣高的阻值下，繼電器仍然能夠正常工作，只是它會(huì)對通過開關(guān)的信號(hào)產(chǎn)生較大的影響。

　　通道間隔離度——來源于相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_和信號(hào)泄漏是一個(gè)很難解決的問題。采用合適的開關(guān)元件能容易地實(shí)現(xiàn)正確的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通道間隔離度是衡量任意兩個(gè)相鄰開關(guān)之間電氣隔離性能的指標(biāo)。隔離度越高，通道之間產(chǎn)生的信號(hào)串?dāng)_或泄漏就越少。典型情況下，通道間的隔離度高于10GΩ，電容低于100pF。在設(shè)計(jì)開關(guān)系統(tǒng)時(shí)，我們必須考慮觸點(diǎn)間的電阻。

　　繼電器穩(wěn)定時(shí)間——穩(wěn)定時(shí)間是繼電器觸點(diǎn)停止反跳，形成固定可靠的連接所需的時(shí)間，典型的穩(wěn)定時(shí)間為毫秒量級。如果信號(hào)的阻抗極高（如很小的電流），那么它可能需要幾秒甚至幾分鐘的穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間與對線纜或電路中的雜散電容進(jìn)行充電的時(shí)間直接相關(guān)。阻抗越高，電流越小，信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間越長。

　　開關(guān)及相應(yīng)布線對信號(hào)質(zhì)量的影響——每種信號(hào)都有自身獨(dú)特的干擾特性，選擇合適的布線方法可以減少或消除這些干擾。如果沒有使用合適的布線方法，傳輸?shù)男盘?hào)將會(huì)有所失真。對于高頻開關(guān)系統(tǒng)，如果在特征阻抗為50Ω的系統(tǒng)中采用75Ω的同軸線纜將會(huì)引起信號(hào)反射和較差的VSWR（電壓駐波比）。

　　避免開關(guān)錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)技巧

　　大規(guī)模射頻矩陣——隨著通信行業(yè)的飛速發(fā)展，構(gòu)成不同通信系統(tǒng)的各種電子元件都需要進(jìn)行大量的測試。這些元件涵蓋的范圍從有源元件（如RFIC：射頻集成電路）到完整的通信系統(tǒng)。射頻測試系統(tǒng)中的主要元件可能包括直流偏壓源、直流測量射頻功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻信號(hào)源和其它一些儀器。實(shí)現(xiàn)測試過程的自動(dòng)化并提高測試的效率需要將射頻/微波和低頻開關(guān)系統(tǒng)集成到測試系統(tǒng)中。射頻矩陣是測試系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。通常，當(dāng)需要將多件測試設(shè)備與多個(gè)器件相連接時(shí)，就需要采用射頻矩陣式的開關(guān)系統(tǒng)。待測器件的個(gè)數(shù)以及所需的測試設(shè)備的數(shù)目通常決定了射頻矩陣的規(guī)模。乍一看來，實(shí)現(xiàn)這種測試系統(tǒng)可能需要很大規(guī)模的矩陣，但是通過進(jìn)一步的分析不難發(fā)現(xiàn)矩陣規(guī)?？赡懿]有想象的那么大。

　　實(shí)現(xiàn)射頻開關(guān)控制有三種射頻矩陣。掌握這些矩陣的特性，有利于縮小矩陣規(guī)模，提高矩陣的效率。

　　1．非阻塞矩陣——這種矩陣能夠同時(shí)連接多個(gè)輸入/輸出的單通路，最高能夠支持的通路數(shù)為矩陣的輸入數(shù)，如圖1所示。這種矩陣的功能是最靈活的，成本也是最高的。盡管我們關(guān)閉多條通路，但只在直流測試系統(tǒng)中是可行的（如將一個(gè)連續(xù)的偏壓加載到多個(gè)DUT上）。阻抗匹配問題限制了在射頻與微波的開關(guān)操作中關(guān)閉多條通路的可能性。假設(shè)矩陣系統(tǒng)處于測量儀器與DUT之間，確保系統(tǒng)中所有元件的阻抗匹配是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)傳輸性能，源的輸出阻抗應(yīng)該等于開關(guān)、線纜和DUT的總阻抗。正確的阻抗匹配能夠提高信號(hào)完整性。

　　2．阻塞矩陣——這種矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)輸入與任意一個(gè)輸出之間的連接，任意時(shí)刻矩陣中只有一條信號(hào)通路有效，如圖2所示。這種矩陣帶有一定的局限性，但是對于射頻與微波信號(hào)而言，傳輸通路的阻抗必須匹配。一次關(guān)閉多條通路會(huì)引起反射，從而影響信號(hào)的VSWR，導(dǎo)致信號(hào)與功率的損耗。因此，阻塞矩陣雖然具有一定的局限性，但在大多數(shù)情況下它對于提高信號(hào)質(zhì)量是必需的。

　　3．全矩陣與子矩陣——這種矩陣能夠同時(shí)連接一個(gè)輸入到多個(gè)輸出，如圖3。開關(guān)主控機(jī)包括信號(hào)轉(zhuǎn)化控制的開關(guān)卡。開關(guān)卡通常設(shè)計(jì)為1x4的模塊，即一個(gè)卡上可能包含三個(gè)或四個(gè)1x4的開關(guān)。將這些開關(guān)配置在一起可以構(gòu)成更大規(guī)模的矩陣，其中包含更多的行或列，或者同時(shí)增大行列數(shù)，但是需要在系統(tǒng)的每個(gè)輸入端配置功率分配器，在輸出端配置多路開關(guān)。另外，阻抗匹配也很重要。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：不需要無端接插頭，能夠訪問所有的通道，各通路具有相似的特性。不足之處包括，需要大量的布線并使用很多同軸繼電器。