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一、射頻和微波開關
鑒于通信行業的爆炸性增長，從射頻集成電路（RFIC）和微波單片集成電路（MMIC）等有源元件到完整的通信系統的各種組件需要大量測試。雖然這些部件的測試要求和程序差別很大，但所有部件都是在非常高的頻率下進行測試的，通常在吉赫茲范圍內。測試系統的主要部件可能包括直流偏壓、直流測量、射頻功率計、網絡分析儀、射頻源和其他儀器。自動化測試過程和提高測試效率需要將射頻/微波和低頻開關系統集成到測試系統中。
射頻（或微波）信號有不同于直流或低頻交流信號的開關考慮因素，包括插入損耗、串擾、傳輸延遲和無端接的短截線。因此，射頻信號的開關配置旨在將信號損耗降至最低，并通過系統保持特性阻抗。SPDT、級聯、樹或矩陣開關可用于微波信號路由。
二、微波開關類型
可用的微波開關配置包括一個簡單的單刀雙擲（SPDT）開關、多位置開關、級聯和樹開關、矩陣開關。
2.1 SPDT開關
SPDT開關有一個輸入端口，可以連接到兩個輸出端口中的一個。多位置開關將一個輸入端口連接到多個輸出端口之一。pickering的SPDT射頻開關最多可有17個通道，頻率最高可達8GHz，阻抗為50 ohm和75 ohm。
2.2 級聯開關
級聯開關使用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出之一。路徑長度（因此，相位延遲）會有所不同，這取決于信號必須經過的繼電器數量。
級聯開關用于將一臺儀器連接到具有最小阻抗不連續性的多個設備或測試點之一。這一點很重要，主要是在10MHz及更高的頻率下防止不必要的信號反射。這種反射會在振幅測量中產生誤差。如圖1所示，任何一個繼電器的啟動都會斷開所有其他設備與電源的連接。在本例中，如果通道1（通道1）被激活，則從源到設備2建立一個恒定的阻抗路徑。所有其他設備都與此路徑隔離。利用兩個級聯開關組，可以對每個被測設備進行源和測量連接。級聯配置的優點是沒有未端接短截線，并且配置易于擴展。級聯配置的一個缺點是，信號可能通過多個開關觸點傳遞到被測設備，導致信號損失更大。傳播延遲隨路徑長度的增加而大。
圖1. 級聯開關配置
2.3 樹開關
圖2所示的樹開關配置是級聯配置的替代方案。與級聯配置相比，樹技術需要更多的繼電器用于相同大小的系統，但是給定路徑和任何未使用路徑之間的隔離可能會更好一些。這將減少串擾和直流泄漏。樹形開關配置也用于大于10MHz的頻率。
樹配置的優點包括沒有未端接短截線，以及通道具有相似的特性。然而，給定路徑中的多個繼電器意味著會有更大的損耗。
圖2. 多路復用（兩層樹開關）
例如pickering40-876-104 3GHz多路復用開關板卡、40-881A-002 8 GHz多路復用開關板卡均采用樹形配置，阻抗為50 ohm和75 ohm。
2.4 矩陣開關
矩陣開關可以將任何輸入連接到任何輸出。微波開關中使用兩種矩陣：阻塞矩陣和非阻塞矩陣。一個阻塞矩陣將任何一個輸入連接到任何一個輸出。其他輸入和輸出不能同時連接。非阻塞矩陣允許通過矩陣同時連接多條路徑。級聯開關是多位置開關的另一種形式。
對于矩陣，構建給定交換系統所需的射頻繼電器和電纜的數量（成本高）與系統輸入和輸出的數量相關。矩陣開關有三種基本類型：阻塞矩陣、非阻塞矩陣和完整或部分訪問矩陣。
圖3和圖4都是4×4的開關矩陣。區別在于可以同時切換多少信號。圖3的阻塞矩陣允許將單個輸入連接到任何單個輸出。因此，在任何給定時間只有一個信號路徑是可用的。
圖4中的非阻塞矩陣允許同時連接多個輸入/輸出信號路徑，如果需要，可連接到矩陣輸入的完整數量。隨著繼電器和電纜數量的增加，這種配置更加靈活和昂貴。
盡管可以關閉多條路徑，但這僅適用于直流測試，例如，對多個DUT施加連續偏壓?？紤]阻抗要排除在射頻和微波測試中關閉多條路徑。
完整或部分訪問矩陣，也稱為完整或部分輸出端數矩陣（圖5），允許同時將輸入連接到多個輸出。這種矩陣需要在每個輸入端都有一個功率分配器，在輸出端需要一個多位置開關。
這些開關的優點包括沒有未端接的短截線、可使用所有通道以及類似的路徑特性。缺點包括需要廣泛的布線和使用許多同軸繼電器。
Pickering的40-884A-001 10 MHz - 8 GHz矩陣開關，是4 x 4通道，阻抗為50 ohm和75 ohm，可以使用任何矩陣開關位置。
圖3. 單通道阻塞矩陣
圖4. 非阻塞矩陣
圖5. 完全訪問矩陣
三、射頻開關選擇和設計注意事項
在選擇射頻開關系統時，要考慮一些關鍵電氣規范包括串擾（路徑隔離）、插入損耗、電壓駐波比（VSWR）和帶寬。在設計射頻開關系統時，可能影響開關系統性能的其他因素包括阻抗匹配、端接、功率傳輸、信號濾波器、相位畸變和布線。開關的使用不可避免地會降低測量系統的性能，因此重要的是要考慮幾個可能顯著影響系統性能的關鍵參數。在設計階段，成本和收益經常相互權衡，以獲得最佳解決方案。
3.1 串擾
串擾是測量高頻信號從一個通道泄漏到另一個通道。它是通道間雜散電容、互感和漏電電阻的結果，通常在特定頻率下以分貝表示。
圖6顯示了串擾的一個例子。在本例中，10V交流信號源（v1）通過開關卡的通道1連接到負載電阻（r）。交流電壓表（V2）通過通道2連接到第二信號源。
通道1和通道2之間的阻抗（Z）引起的串擾以分貝為單位規定為：
這個方程也可以用射頻功率表示
圖6. 串擾例子
為了在通道2上找到由于通道1上的信號而產生的最大信號，方程式為V2：
V2 = V1 [10^(crosstalk (dB)/20)]
例如，如果通道隔離或串擾規格為–60dB，通道1上的10V信號將導致在信號源設置為零伏的情況下，在V2處出現以下電壓：
V2 = V1 [10^(–60/20)]
V2 = 10V (10–3)
V2 = 10mV
如果要在通道2處測量的信號只有幾毫伏，則該附加電壓將導致嚴重的誤差。
如果開關將用于直流或甚低頻交流信號，考慮并聯電容的漏電電阻的隔離可能更容易。
3.2 隔離
是對開關卡上路徑之間的漏電電阻的測量。路徑可以在任何終端和接地（共模）之間，也可以在任何兩個終端之間。例如，可以是任意兩個通道（通道到通道）之間的電阻，也可以是給定通道（差分）的Hi和Lo輸入之間的電阻。絕緣是根據電阻和電容來規定的。隔離度應盡可能高，以避免切換高阻抗電路時出錯。
通常不需要驗證開關板卡上的隔離電容，因為電容是機械功能，不應隨時間變化。相反，隔離電阻會隨著時間的推移而變化，因為它會受到濕度變化的影響，也會受到環境或開關板卡操作造成的污染的影響。
絕緣電阻的測量通常是通過提供電壓，然后用靜電計或皮安計測量產生的電流來完成的。隔離電阻按R = V/I計算。如何執行隔離測量的一般說明如下。
a. 通道到通道。這是多路復用器開關卡上任意兩個通道之間的隔離測量。在一個通道打開和一個通道關閉的情況下進行測量。
兩極A型開關板卡的測量示例（通道1到通道2）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將通道1的HI和LO端口連接在一起。
(3). 將通道2的HI和LO端口連接在一起。
(4). 關閉通道2
(5). 測量通道1輸入和通道2輸入之間的電阻。
b. 輸入隔離，差分。這是給定通道上的HI和LO之間的隔離。這種電阻包括繼電器兩極之間的漏電以及印刷電路板引起的漏電。
兩極A型開關板卡測量示例（通道1）：
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 關閉通道1。
(3). 測量HI和LO輸出之間的電阻。
c. 輸入隔離，共模。這是給定通道的輸入（hi和lo）與保護或屏蔽之間的隔離。本規范僅適用于帶保護或屏蔽的兩極卡和帶保護的三極卡。
測量實例（通道1）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將通道1的HI和LO端口連接在一起。
(3). 關閉通道1
(4). 測量輸出端口和防護或屏蔽端口之間的電阻。
d. 路徑。矩陣卡的路徑隔離是從一條路徑的HI和LO終端到任何其他路徑的HI和LO終端的阻抗。通常，通過在兩個相鄰路徑之間施加電壓（即100 V）來測量絕緣，然后測量泄漏電流。然后用歐姆定律（R = V/I）計算隔離電阻。
兩極矩陣板卡的測量示例（第1行，第1列至第2行，第2列）
(1). 斷開卡的所有連接。
(2). 將第1列的HI和LO端口連接在一起。
(3). 將第2列的HI和LO端口連接在一起。
(4). 關閉第1行、第1列和第2行、第2列的交叉點。
(5). 測量第1列和第2列之間的電阻。
3.3 插入損耗
插入損耗是由于信號通路中的開關而導致的信號量減小的度量。插入損耗以分貝為單位，通常以50 ohm電源和50 ohm負載，并以特定頻率給出。
圖7是將輸出阻抗（ZS）為50 ohm的電壓源（VS）連接到輸入阻抗（ZL）為50 ohm的電壓表的射頻開關卡的示意圖。
圖7. 插入損耗示例
插入損耗計算如下：
為了確定插入損耗如何影響信號，可以根據插入損耗計算電壓表處的測量值（VL），如下所示：
VL = VS /10^[Loss(dB)/20], 損失用正值表示。
如果VS為10 V且插入損耗小于1.0 dB，則：
VL > 10V/ 10^(1.0/20), VL大于 8.9 V。
3.4 電壓駐波比
開關卡的電壓駐波比（VSWR）規定了連接器和開關信號路徑與傳輸線的特性阻抗的匹配程度。更具體地說，電壓駐波比是駐波最大點的電壓與駐波相鄰最小點的電壓之比。當電壓駐波比等于1時，傳輸線不存在反射波。當電壓駐波比大于1時，部分開關信號被反射回電源，小于最大功率的信號將被傳輸到負載。低電壓駐波比對于設計用于信號串聯多個元件的開關系統至關重要。電壓駐波比還通過以下方式與反射系數相關
式中：ρ=反射系數
反射系數是反射波電壓與入射波電壓之比，其計算公式為
式中：ZL =負載阻抗，ZS =開關卡的阻抗
為防止出現問題，系統中的所有組件都應具有較低的電壓駐波比。電壓駐波比也可以表示為回波損耗
如圖8所示，系統的電壓駐波比為1.50:1，回波損耗為14dB，正向功率為50W，反射功率為2W。
圖8. 阻抗失配示例
3.5 3dB帶寬
3dB帶寬是通過開關卡的正弦波信號的最大推薦頻率。這是信號降低到中頻信號電平0.707倍的頻率。
本規范基于單開關卡。如果兩個或多個卡連接在一起，3dB帶寬將減少。
如果開關用于數字信號，最小帶寬可通過以下方式確定：
帶寬（Hz）=0.35/上升時間（s）
3.6 阻抗匹配
假設開關位于測量儀器和被測設備之間，匹配系統中所有元件的阻抗水平至關重要。為了實現最佳信號傳輸，源的輸出阻抗應等于開關、電纜和被測器件的特性阻抗。在射頻測試中，最常用的阻抗等級是50 ohm和75 ohm，無論需要哪種阻抗等級，適當的匹配都能保證整個系統的完整性。
輸入電壓駐波比和信號路徑電壓駐波比決定了測量精度的限制：
失配不確定度（dB） = 20 × log (1 ± |Γ |^2 )
反射系數：Γ = (VSWR -1) /(VSWR + 1)
如果信號路徑輸出和儀器輸入在一個頻率下都具有1.3:1的良好VSWR，那么僅由失配引起的不確定性為±0.15dB。
3.7 端接
在高頻下，所有信號必須正確端接，否則電磁波將從終止點反射。反過來，這將導致電壓駐波比的增加。未端接開關在其關閉狀態下增加了電壓駐波比，而端接開關將嘗試提供50歐姆匹配開或關。如果反射功率足夠大，電壓駐波比的增加甚至會損壞電源。通過系統的所有路徑必須以其特性阻抗終止。
3.8 功率傳輸
另一個重要的考慮因素是系統將射頻功率從儀器傳輸到被測設備的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。在其他應用中，可能有必要降低DUT的信號功率?？赡苄枰粋€放大器或衰減器來確保通過開關傳輸所需的功率電平。
3.9 信號濾波器
信號濾波器在許多情況下都是有用的，例如，當信號通過開關時，雜散噪聲被無意中添加到信號中。有助于解決原始信號頻率與被測設備的測試頻率不匹配問題?？梢栽陂_關上添加濾波器以修改信號頻率帶寬，或者可以從到被測設備的信號中消除不需要頻率的雜散信號。
3.10 相位畸變
隨著測試系統尺寸的擴大，來自同一個源的信號可能通過不同長度的路徑傳輸到被測設備，從而導致相位畸變。這個規范通常被稱為傳播延遲。對于給定的傳導介質，延遲與信號路徑的長度成正比。不同的信號路徑長度將導致信號相位偏移。這種相移可能導致錯誤的測量結果。為了最小化相位失真，保持路徑長度不變。
