射頻和微波開關可在傳輸路徑內高效發送信號。此類開關的功能可由四個基本電氣參數加以表征。
雖然多個參數與射頻和微波開關的性能相關,然而以下四個由于其相互間較強的相關性而被視為至關重要的參數:隔離度,插入損耗,開關時間,功率處理能力。
隔離度即電路輸入端和輸出端之間的衰減度,是衡量開關截止有效性的指標。插入損耗(也稱傳輸損耗)為開關處于導通狀態下時損耗的總功率。由于插入損耗可直接導致系統噪聲系數的增大,因此對于設計者而言,插入損耗是最為關鍵的參數。
開關時間是指開關從“導通”狀態轉變為“截止”狀態以及從“截止”狀態轉變為“導通”狀態所需要的時間。該時間上可達高功率開關的數微秒級,下可至低功率高速開關的數納秒級。開關時間的最常見定義為自輸入控制電壓達到其50%至最終射頻輸出功率達到其90%所需的時間。此外,功率處理能力定義為開關在不發生任何永久性電氣性能劣化的前提下所能承受的最大射頻輸入功率。
圖示為使用12個不同SMA母同軸連接器的單刀十二擲機電式開關一例
射頻和微波開關可分為機電式繼電器開關以及固態開關兩大類。這些開關可設計為多種不同構型——從單刀單擲到可將單個輸入轉換成16種不同輸出狀態的單刀十六擲,或更多擲的構型。切換開關為一種雙刀雙擲構型的開關。此類開關具有四個端口以及兩種可能的開關狀態,從而可將負載在兩個源之間切換。
機電式繼電器開關的插入損耗較低(<0.1dB),隔離度較高(>85dB),且可以毫秒級的速度切換信號。此類開關的主要優點在于,其可在直流~毫米波(>50 GHz)頻率范圍內工作,而且對靜電放電不敏感。此外,機電式繼電器開關可處理較高的功率水平(達數千瓦的峰值功率)且不發生視頻泄漏。
然而,在機電式射頻開關的操作中,有一些問題值得我們注意。此類開關的標準使用壽命大約只有100萬次,而且其組件對振動較為敏感。使用壽命是指機電式開關在滿足射頻及重復性要求的情況下所能完成的總開關次數。高質量或高可靠性機電式開關適用于需要更長使用壽命的應用場合。此類開關的可靠性和其他性能極其優越,而且使用壽命長達1000萬次。上述較長使用壽命源自于設計更為牢固的致動器以及在磁效率和機械剛性方面更為優化的傳動連桿。此外,此類開關還設計為可承受更為嚴酷的環境條件,并滿足MIL-STD-2002標準在正弦和隨機振動以及機械沖擊方面的要求。
舉例而言,Pasternack提供使用壽命為100萬次的標準機電式射頻開關,以及使用壽命為250萬~1000萬次的可靠性機電式射頻開關。該公司型號為PE71S6064的單刀雙擲可靠性開關即為上述產品中的一種,其工作頻率范圍為DC~40GHz,且保證使用壽命達1000萬次。
作為可靠性機電式射頻開關的一例,圖示為Pasternack的PE71S6064單刀雙擲機電式開關,其工作頻率范圍為DC~40GHz,保證使用壽命達1000萬次
相比之下,由于固態射頻開關的電路裝配較為平坦且不包含較大的元器件,因此其封裝厚度較小且物理尺寸通常小于機電式開關。固態射頻開關使用的開關元件為高速硅PIN二極管或場效應晶體管(FET),或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開關元件與電容器,電感器和電阻器等其他芯片組件分立集成于同一電路板上。
使用PIN二極管電路的開關產品具有更高的功率處理能力,而FET類型的開關產品通常具有更快的開關速度。當然,由于固態開關不包含活動部件,因此其使用壽命是無限的。此外,固態開關的隔離度較高(60~>80dB),開關速度極快(<<100納秒),電路的耐沖擊/振動性較好。
固態射頻開關的其他值得注意的性能包括其插入損耗。固態射頻開關在插入損耗方面劣于機電式開關。此外,固態射頻開關在低頻應用中具有局限性。這是因為其工作頻率下限只能到千赫級,而非直流。這一局限源于其所使用半導體二極管固有的載流子壽命特性。
作為PIN二極管開關的一例,圖示為Pasternack的PE7167單刀四擲開關,其工作頻率為500MHz~40GHz,最大開關速度為100納秒。在固態開關中,PIN二極管基本上作為可變電阻器使用,其電阻值可通過直流偏置電流調節。
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