設(shè)計與構(gòu)建完美的開關(guān)測試系統(tǒng)

　　測試中常常會遇到這樣的情況：系統(tǒng)中的開關(guān)非常完美，沒有信號損失或泄漏；所有的信號以點到點的方式進行傳輸，沒有信號衰減。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)時常見的一些錯誤，并介紹幾種有助于避免這些開關(guān)錯誤的正確設(shè)計技術(shù)。

　　常見錯誤的來源

　　設(shè)計者在配置開關(guān)測試系統(tǒng)時會出現(xiàn)一些常見的錯誤，其中大多數(shù)錯誤很容易發(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，接觸點之間的阻值是無窮大的。實際上，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，以判斷它是否會影響信號在系統(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，觸點之間是沒有電阻的。實際上，開關(guān)總是有很小的閉合電阻。大多數(shù)觸點都有幾個毫歐量級的電阻。這一阻值通常在使用過程中會不斷增大。大部分繼電器在報廢時的接觸電阻大約為2Ω左右。即使在這樣高的阻值下，繼電器仍然能夠正常工作，只是它會對通過開關(guān)的信號產(chǎn)生較大的影響。

　　通道間隔離度——來源于相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_和信號泄漏是一個很難解決的問題。采用合適的開關(guān)元件能容易地實現(xiàn)正確的設(shè)計指標(biāo)。通道間隔離度是衡量任意兩個相鄰開關(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)計開關(guān)系統(tǒng)時，我們必須考慮觸點間的電阻。

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

　　開關(guān)及相應(yīng)布線對信號質(zhì)量的影響——每種信號都有自身獨特的干擾特性，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)男盘枌兴д?。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的同軸線纜將會引起信號反射和較差的VSWR（電壓駐波比）。

　　避免開關(guān)錯誤的設(shè)計技巧

　　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、網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻信號源和其它一些儀器。實現(xiàn)測試過程的自動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)的一個重要組成部分。通常，當(dāng)需要將多件測試設(shè)備與多個器件相連接時，就需要采用射頻矩陣式的開關(guān)系統(tǒng)。待測器件的個數(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——這種矩陣能夠同時連接多個輸入/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（如將一個連續(xù)的偏壓加載到多個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。為了實現(xiàn)最佳的信號傳輸性能，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完整性。

　　2．阻塞矩陣——這種矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)一個輸入與任意一個輸出之間的連接，任意時刻矩陣中只有一條信號通路有效，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而言，傳輸通路的阻抗必須匹配。一次關(guān)閉多條通路會引起反射，從而影響信號的VSWR，導(dǎo)致信號與功率的損耗。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質(zhì)量是必需的。

　　3．全矩陣與子矩陣——這種矩陣能夠同時連接一個輸入到多個輸出，如圖3。開關(guān)主控機包括信號轉(zhuǎn)化控制的開關(guān)卡。開關(guān)卡通常設(shè)計為1x4的模塊，即一個卡上可能包含三個或四個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，或者同時增大行列數(shù)，但是需要在系統(tǒng)的每個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。