Введение
RF-переключатель или микроволновый переключатель – это устройство для направления высокочастотных сигналов по трактам передачи. Радиочастотные и микроволновые переключатели широко используются в микроволновых испытательных системах для маршрутизации сигналов между приборами и испытываемыми устройствами (DUT). Интеграция переключателя в систему коммутационной матрицы позволяет направлять сигналы от нескольких приборов к одному или нескольким DUT. Это обеспечивает проведение множества тестов с одной и той же настройкой, исключая необходимость частых подключений и отключений. Весь процесс тестирования может быть автоматизирован, что повышает производительность в условиях крупносерийного производства. Как и другие электрические переключатели, RF и микроволновые переключатели предлагают различные конфигурации для широкого спектра применений. Ниже приведен список типичных конфигураций и областей применения переключателей: однополюсные двойные переключатели (SPDT или 1:2) направляют сигналы с одного входа на два выхода. Многопортовые переключатели или однополюсные переключатели с несколькими выходами (SPnT) позволяют использовать один вход для нескольких (трех и более) выходных трактов. Переключатели переключения или двухполюсные двойные переключатели (DPDT) могут выполнять различные функции. Байпасные переключатели вставляют или исключают тестовый компонент из тракта сигнала. RF CMOS-переключатели играют ключевую роль в современных беспроводных телекоммуникациях, включая беспроводные сети и мобильные устройства связи. Объемы продаж RF CMOS-переключателей компании Infineon превышают 1 миллиард единиц в год, достигнув кумулятивных 5 миллиардов единиц по состоянию на 2018 год.
Single pole, double throw (SPDT or 1:2) switches route signals from one input to two output paths. Multiport switches or single pole, multiple throw (SPnT) switches allow a single input to multiple (three or more) output paths. Transfer switches or double pole, double throw (DPDT) switches can serve various purposes. Bypass switches insert or remove a test component from a signal path. RF CMOS switches are crucial to modern wireless telecommunication, including wireless networks and mobile communication devices. Infineon's bulk CMOS RF switches sell over 1billion units annually, reaching a cumulative 5billion units, as of 2018.
Диапазон частот
Приложения радиочастотной и микроволновой техники охватывают диапазон частот от 100 МГц для полупроводниковых приборов до 60 ГГц для спутниковой связи. Широкополосные аксессуары повышают гибкость измерительных систем, расширяя диапазон рабочих частот. Однако выбор частоты всегда зависит от конкретной задачи, и широкий диапазон рабочих частот может быть принесен в жертву для достижения других важных параметров. Например, сетевой анализатор может выполнять развертку за 1 мс при измерении потерь на вставку, поэтому в этом случае временем установления или скоростью переключения становится определяющий параметр, обеспечивающий точность измерений.
Потеря вставки
В дополнение к правильному выбору частоты, критически важны потери на вставку при проведении испытаний. Потери, превышающие 1 или 2 дБ, ослабляют пиковые уровни сигнала и увеличивают время нарастания и спада фронтов. Достичь системы с малыми потерями на вставку можно, минимизируя количество разъемов и траектов сигнала, или выбирая для конфигурации системы устройства с низкими потерями на вставку. Поскольку на более высоких частотах мощность обходится дорого, электромеханические переключатели обеспечивают минимальные потери на пути передачи.
Потеря прибыли
Потери на отражение вызваны несоответствием импедансов между схемами. На микроволновых частотах свойства материала, а также размеры элемента цепи играют значительную роль в определении согласования или несоответствия импедансов, обусловленного распределенными параметрами. Выключатели с превосходными показателями потерь на отражение обеспечивают оптимальную передачу мощности через выключатель и всю сеть.
Повторяемость
Низкие и стабильные потери вставки снижают источники случайных ошибок в измерительном тракте, что повышает точность измерений. Повторяемость и надежность переключателя обеспечивают точность измерений и могут снизить стоимость владения за счет сокращения циклов калибровки и увеличения времени безотказной работы испытательной системы.
Изоляция
Изоляция – это степень подавления нежелательного сигнала, обнаруживаемого на интересующем порту. Изоляция становится особенно важной на более высоких частотах. Высокая изоляция снижает влияние сигналов с других каналов, обеспечивает целостность измеряемого сигнала и уменьшает погрешность измерений системы. Например, RF-матрице переключения может потребоваться направить сигнал в спектроанализатор для измерения на уровне -70 дБм и одновременно направить другой сигнал на уровне +20 дБм. В этом случае переключатели с высокой изоляцией, 90 дБ и выше, обеспечат достоверность измерения сигнала малой мощности.
Скорость переключения
Скорость переключения определяется как время, необходимое для изменения состояния порта переключателя от "ВКЛ" к "ВЫКЛ" или от "ВЫКЛ" к "ВКЛ".
Время расчета
Поскольку время переключения определяет лишь конечное значение в 90% от установившегося/конечного значения RF-сигнала, время установления (settling time) часто акцентируется при оценке характеристик твердотельных переключателей, где требуется более высокая точность и прецизионность. Время установления измеряется до уровня, близкого к конечному значению. Широко используемые допуски для времени установления составляют 0,01 дБ (99,77% от конечного значения) и 0,05 дБ (98,86% от конечного значения). Эта спецификация обычно применяется к переключателям на GaAs FET, поскольку они подвержены эффекту запаздывания управления, вызванному захватом электронов на поверхности арсенида галлия.
Управление мощностью
Управление мощностью определяет способность переключателя рассеивать мощность и сильно зависит от конструкции и используемых материалов. Существуют различные характеристики по мощности для переключателей, такие как коммутация под нагрузкой, коммутация без нагрузки, средняя мощность и пиковая мощность. Коммутация под нагрузкой происходит, когда RF/микроволновая мощность присутствует на портах переключателя в момент переключения. Коммутация без нагрузки происходит, когда мощность сигнала снимается перед переключением. Коммутация без нагрузки снижает напряжение в контактах и увеличивает срок службы.
Прекращение
Окончание нагрузки 50 Ом критически важно во многих приложениях, поскольку каждая открытая неиспользуемая линия передачи может резонировать. Это особенно важно при проектировании систем, работающих на частотах 26 ГГц и выше, где изоляция переключателя существенно снижается. При подключении переключателя к активному устройству отраженная мощность от не законченной линии может повредить источник сигнала. Электромеханические переключатели классифицируются как с завершением и без завершения. Переключатели с завершением: при замыкании выбранного пути все остальные пути завершаются нагрузкой 50 Ом, и питание на все соленоиды отключается. Переключатели без завершения отражают мощность. Твердотельные переключатели классифицируются как поглощающие и отражающие. Поглощающие переключатели содержат 50-омное окончание на каждом выходном порту для обеспечения низкого КСВ как в выключенном, так и во включенном состоянии. Отражающие переключатели проводят RF-мощность при обратном смещении диода и отражают RF-мощность при прямом смещении.
Видео утечка
Видеопросачивание относится к паразитным сигналам, присутствующим на RF-портах переключателя при его переключении в отсутствие RF-сигнала. Эти сигналы возникают из-за формы сигнала, генерируемого драйвером переключателя, и особенно из импульса напряжения на нарастающем фронте, необходимого для высокоскоростного переключения PIN-диодов. Величина видеопросачивания зависит от конструкции переключателя и драйвера переключателя.
Срок службы
Длительный срок службы снижает стоимость одного цикла и финансовые ограничения, позволяя производителям повышать свою конкурентоспособность.