芯耀
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一、简介
射频开关的应用场景很多，比如发射/接收切换、多设备同时自动化测试。所有无线技术里都能看到它们的身影，比如无线局域网、全球微波互联接入、全球移动通信系统、码分多址、高速分组接入、长期演进、卫星、甚小口径终端、紫蜂等。设计开关时，通常会用到PIN二极管和场效应管。
挑选的时候，插入损耗、隔离度和开关速度都是主要考虑的因素。
射频开关有不同的类型，包括单刀单掷（SPST）、单刀双掷（SPDT）、单刀三掷（SP3T）、单刀四掷（SP4T）、单刀五掷（SP5T）、单刀六掷（SP6T）和单刀八掷（SP8T）这些结构。
二、什么是射频开关呢？
射频开关是一种用来在不同端口之间切换或转接射频信号的器件。这种开关应用很广泛，比如在移动和固定无线设备、枢纽站点的切换单元，还有测试测量设备里都能用得上，下图是发射和接收链路共用一个SPDT开关。
根据构造、设计和所用组件的不同，射频开关可以分成以下几类：
- 机电式：机电开关有金属触点，要么是物理断开的状态 —— 这时候没有电流或信号能通过；要么是闭合状态，这时候电路接通，电流就能流过去了。这种开关可以按能连接的电路数量（叫“极数”）和能切换的不同位置数量（叫“掷数”）来描述。
比如说，单极单掷（SPST）开关就是个简单的通断装置，就负责接通或断开一个电路。双极单掷（DPST）开关稍微复杂点，也是通断开关，但它能同时接通或断开两个相连的电路。和这两种不一样，双掷（DT）开关能在两条独立的电路路径之间切换。下面是几种机电开关的原理图。
机电式射频开关通常是比较大的组件，因为里面有一系列线圈和机械触点。和普通继电器一样，通电的线圈会带动继电器触点动作。机电式继电器开关插入损耗低（小于0.1dB），隔离度高（大于85dB），切换信号的速度以ms计。它的主要优点是既能在直流下工作，也能用到毫米波频段（50GHz 以上），而且不容易受静电放电（ESD）影响。它能处理高功率信号（峰值功率可达几千W），隔离度还能做到很高。
不过机电式射频开关在使用时也有一些需要注意的问题。它的标准使用寿命通常大概是一百万次循环，而且整个组件对振动比较敏感。这里说的使用寿命，是指机电式开关在满足所有射频和重复性规格的前提下能完成的循环次数。如果应用场景需要更长的使用寿命，可以用质量更好的或高可靠性的机电式开关，这种开关可靠性和性能都特别好，使用寿命能达到一千万次循环。更长的寿命得益于更坚固的执行器和传动连杆设计，这些设计在磁效率和机械刚度方面都做了优化。而且它们的设计也能承受更严苛的环境条件，符合MIL-STD-2002标准中关于正弦振动、随机振动和机械冲击的要求。
举个例子，Pasternack公司就有标准的机电式射频开关，使用寿命是一百万次循环，也有高可靠性的机电式射频开关，使用寿命从250万到1000万次循环不等。其中一款型号为PE71S6064的单极双掷高可靠性开关，工作频率从直流到40GHz，保证能达到1000万次循环的使用寿命。
并且机电式射频开关分为有终端和无终端两种。在有终端的版本中，当所有路径都接有50Ω负载时，选定的路径是闭合的，这样所有电流就会被切断或隔离。入射信号能量会被终端电阻吸收，不会产生反射。无终端开关没有50Ω负载，所以得在系统的其他部分实现阻抗匹配来减少反射，但无终端开关的好处是插入损耗更低。
- 固态式：固态开关是半导体器件，不用机械切换就能工作，所以通常切换速度特别快。它们抗冲击、抗振动，也不容易有机械磨损，因此比机电开关更可靠、寿命更长。不过和机电开关比起来，固态开关的插入损耗往往更大。
固态射频开关可以分为吸收式和反射式两种。吸收式开关的每个输出端口都有一个50Ω的负载终端，这使得它在导通和断开状态下都有较低的电压驻波比（VSWR）。在有终端的端口里，终端电阻会吸收入射的信号能量，否则这些能量就会从没有终端的端口反射回去。当输入的信号需要通过开关传输时，断开的端口会和终端断开连接，这样所有的信号能量就能顺利传输了。吸收式开关用在那些需要尽量减少向射频源反射信号的场景中。
相比之下，反射式开关没有终端电阻，所以它们断开的端口插入损耗更低。反射式开关用在那些对断开端口的高电压驻波比要求不高的场景中，这时候系统的其他地方会提供阻抗匹配。
下图展示的是吸收式（内部包含50Ω负载）射频开关。
- PIN二极管式：PIN二极管在射频和微波频段能当可变电阻用。它是受电流控制的，也就是说，输入电流的大小不一样，电阻就会变——电流大的时候电阻小（导通状态），电流小的时候电阻大（截止状态）。PIN二极管能用比较小的控制电流来控制大功率的射频信号。不过呢，PIN二极管开关一般只能在低频（低于1MHz）下工作。在这个频率范围内，频率越高，它的隔离性能反而越好。
下面这张图展示了三种不同的单刀双掷PIN二极管开关电路图：上面是串联型PIN开关，中间是并联型PIN开关，下面是串并联型PIN开关。
- 微机电系统（MEMS）式：这种用微型机械部件来切换射频通路，是一种小型化设备，具有高隔离度、低插入损耗和快速切换的特点，下面会进行详细介绍。
- 场效应管式（FET）：开关用的是半导体器件，通过控制半导体材料里沟道的形状来改变导电性。场效应管开关比PIN二极管开关耗电少，但插入损耗更大，不过在低频段隔离性能特别好；不过它的开关速度比PIN二极管开关慢。到了高频段，因为漏极和源极之间的电容影响，隔离性能会变差，下图是一个SPDT的FET射频开关。
三、射频开关的性能参数
为特定应用选购射频开关时，要考虑以下这些参数：
- 工作频率范围：开关能有效处理的频率区间。
- 插入损耗：开关处于“导通”状态时产生的信号损耗。对设计师来说，插入损耗是最关键的参数，因为它可能会直接增加系统的噪声系数。一般来说，插入损耗越小越好。
- 端口间隔离度：开关处于“关闭”状态时，不同端口之间信号的泄漏量。高隔离度对防止信号干扰很关键。
- 开关速度：切换时间是开关从“导通”变“断开”或者从“断开”变“导通”所需的时间。这个时间范围差别很大，高功率开关可能需要几us，而低功率、高速设备则只需几ns。最常见的切换时间定义是，从输入控制电压（TTL）达到50%，到射频输出功率达到最终值的90%所经过的时间。某些应用场景需要更快的开关速度。
- 功率处理能力：功率处理能力是指开关能承受的最大射频输入功率，而且不会让电气性能出现永久性下降。
- 端口数量和配置：输入和输出端口的数量，以及可能的切换配置（比如单刀单掷、单刀双掷）。
- 阻抗：开关的特性阻抗，通常是50Ω。
- 工作电压：为开关供电所需的电压。
- 控制接口：用于控制开关的通信接口（比如USB、TTL、以太网）。
- 所需的接口连接器和端口：应用中需要用到的连接器和端口类型。
四、RF MEMS开关介绍
射频微机电系统（RF MEMS）开关以低功耗和高隔离能力著称。选对这种开关，要考虑驱动电压、可靠性、开关速度这些因素。在射频设计和射频测试设备中，射频开关应用很广泛，涉及多个行业，比如无线基础设施、测试测量系统、医疗设备、国防和航空航天领域。
这类开关的典型应用包括切换滤波器组、可调谐滤波器、天线调谐、射频前端、开关矩阵和电磁继电器。射频开关大致可以分为机电式和固态式两类。
MEMS是微机电系统的缩写。固态开关的构造会用到PIN二极管、砷化镓场效应管、硅二极管这类器件。
1、什么是RF MEMS开关呢？
射频微机电系统开关是一种微型机械开关，设计用于射频范围。它的工作原理和电灯开关类似，通过接触点的开合来允许或阻断信号传输。
由于采用了小型化的机械组件，射频微机电系统开关体积更小，功耗也更低。下图展示了单刀四掷（SP4T）结构的射频微机电系统开关的布局和框图。这个微机电系统开关的四个通道，每个都能通过给对应的射频栅极引脚施加栅极电压来单独控制。
选RF MEMS开关时，通常会考虑以下这些参数：
- 工作频率范围
- 开关的功能（比如单刀四掷、单刀单掷、双刀双掷等）
- 插入损耗（单位是dB）
- 三阶交调点（IP3）
- 导通电阻（Ron）
- 关断电容（Coff）
- 隔离度（单位是dB）
- 功率（连续波）
- 开关速度
- 使用寿命（按循环次数算）
- 控制器（直接驱动、串并转换、串行外设接口、通用输入输出）
- 输入电压
2、RF MEMS开关的优点
- 切换速度快：它们能实现快速的状态切换。
- 插入损耗低：射频微机电系统的金属接触式和电容式开关，即便在 100GHz的频率下，插入损耗也只有0.1dB，能最大限度减少传输过程中的信号损失。
- 隔离度高：在信号通路之间能提供很好的隔离效果。
- 功率处理能力强：能承受相对较高的入射射频功率。
- 线性度和互调产物：微机电系统开关是线性极好的器件，所以在开关和调谐操作中产生的互调产物很少，性能比PIN二极管或场效应管（FET）好得多。
- 体积小、重量轻：把机械和电子元件集成在微观尺度上，所以结构紧凑、重量轻。而且因为可以大批量生产，成本也比较有优势。
- 功耗低：耗电量非常小，静电驱动虽然需要大概30到80V的电压，但几乎没有电流通过。
- 抗静电能力强：对静电放电有更强的防护作用。
- 性能稳定：在极端条件下，包括恶劣的温度、振动、冲击和射频功率环境中，射频微机电系统开关都能保持出色的射频性能。
- 耐用性更好：和其他切换技术相比，射频微机电系统开关通常更耐用。
- 有低成本潜力：射频微机电系统用石英或硅制造，这些材料不贵，但封装成本高，这就使得射频开关的总成本上升了。
五、开关矩阵介绍
射频开关矩阵能在测试和通信设置中实现灵活的信号路由。挑选时，通道数量、频率范围和隔离度是主要考虑的因素。
1、什么是射频开关矩阵？
射频开关矩阵单元由多个射频开关组成（可以是机电式的，也可以是固态式的），用来对射频信号进行路由，同时进行适当的信号调理。这些单元有多种应用，比如对被测设备的测试测量、作为卫星地面站系统的切换单元，以及数据通信线路测试等。除了射频开关，矩阵单元里可能还包含信号调理组件，像放大器、衰减器、耦合器和滤波器之类的。
射频开关矩阵主要可以分成两类，如上图所示：
- 阻塞式：这种类型在矩阵设计的两侧都用了射频开关。这种结构里，一个输出端口只能连接一个输入端口。它的插入损耗低，端口之间的隔离度高，会用到单刀单掷、单刀双掷、单刀三掷、单刀四掷、单刀六掷等不同结构的开关。
- 非阻塞式：这种类型在输入端用功率分配器，输出端用射频开关。这种结构里，一个输入端口能同时连接多个输出端口。它能提供更多的有效通路，但和阻塞式相比，直通损耗更高。
2、开关矩阵的性能参数
选射频开关矩阵时，要考虑以下这些参数：
- 工作频率范围。
- 输入和输出的配置情况。
- 阻抗（50Ω或75Ω）。
- 插入损耗。
- 端口间隔离度。
- 连接器类型：SMA型或N型。
- 控制方式：USB、局域网、菊花链等。
3、开关矩阵的应用
下面是射频开关矩阵的一些应用场景：
- 16:1开关矩阵：用来把多个卫星电视信号传送到射频频谱分析仪，做信号完整性测试。这种设计用了五个单极四掷（SP4T）同轴机电开关。
- 测试测量领域：用射频信号发生器（RFSG）和射频信号分析仪（RFSA）——比如频谱分析仪、频率计数器、功率计这些——来测试被测设备（DUT）的发射和接收功能时会用到。
- 卫星地面站系统：在中心站会用到，比如调制解调器切换单元（SWO）、上变频器和下变频器的频率转换器切换单元（SWO）之类的。
4、射频开关矩阵的优点
它把所有测试设备的连接集中到一个中心点，让被测设备（DUT）的测试更简单、更快捷。
测量是自动化的，数据会存到文件里，几乎不用人工干预，减少了测试时间，也不用一直有人盯着。
因为被测设备和测试设备（矢量信号分析仪VSA或矢量信号发生器VSG）之间的信号路径短，校准起来更方便。
被测设备和测试设备离得近，路径损耗和信号衰减就小，这有助于满足测试设备（频谱分析仪、网络分析仪、VSA）的接收机灵敏度要求。
通过局域网以太网端口可以实现远程监控和控制，只要接好被测设备并通电，就能远程测试。这样全球的多个测试工程师都能访问测试实验室。
5、射频开关矩阵的缺点
端口之间的高隔离度很关键，不然会影响结果的准确性。
非阻塞型射频开关矩阵通常比阻塞型的插入损耗更大。
现成的射频开关矩阵可能满足不了特定的测试需求，这时候就得定制设计，人力和资金成本都会比较高。
不同应用场景下操作射频开关矩阵，需要对测试技术人员进行培训。
最后总结一下：
射频开关是射频电路关键组件，控制信号传输路径，应用于多种无线技术，有SPST、SPDT等类型，可分为机电式、固态式等。机电式有金属触点，插入损耗低但体积大、寿命有限；固态式无机械部件，切换快但插入损耗大。性能参数含工作频率等。RF MEMS开关是微型机械开关，有切换快等优点。开关矩阵由多个开关组成，分阻塞式和非阻塞式，应用于测试等场景，有集中连接等优点，但也有隔离度要求高等缺点。
