射频开关（RF Switch）基础之开关网络的优化设计

在《[射频开关（RF Switch）基础]》讨论了高频信号中信号衰减的发生方式和原因。它还讨论了造成这种性能下降的两个主要原因：线路中的功率耗散和传输线路中的反射引起的功率损耗。然而，迄今为止所有的讨论和解释都是从单个模块的角度进行的。在典型的射频系统中，开关网络由多个模块和电缆组成。这些网络可以用具有不同拓扑结构的模块以多种布置方式构建。要了解如何为您的 RF 系统设计最佳布置，了解不同的 RF 开关拓扑非常重要。

在讨论可用拓扑及其对系统插入损耗和电压驻波比 (VSWR) 规格的影响之前，让我们回顾一下前一章中的关键概念。插入损耗是线路中发生的总功率损耗的累积量度。它是离开传输线的信号功率与进入传输线的信号功率的对数比。传输线对特定频率信号造成的电压衰减和功率损耗可以使用其插入损耗规格来计算。下图可在 NI PXI-2548 Quad SPDT Relay 模块的规格文档中找到，显示其插入损耗性能。

使用该图中的数据，我们可以推导出开关在 2 GHz 1 Vp-p 1 W 正弦波上造成的功率损耗和电压衰减为：

电力流失：

电压衰减：

因此，上述信号通过 NI PXI-2548 时的功率损耗为 0.09 W，电压衰减为 0.046V。

电压驻波比或 VSWR 是另一种规格，通常在 RF 开关的数据表或规格文件中列出。VSWR 是测量由于阻抗不匹配而在开关模块中发生的信号反射。

由于 VSWR 和插入损耗累积提供有关传输线对信号造成的净衰减的信息，因此在为您的应用选择合适的产品时，它们都是需要考虑的重要规格。然而，了解射频开关的 VSWR 和插入损耗有时是不够的。RF 系统通常需要复杂的交换网络来将信号从一个点路由到另一个点。

这些网络通常不仅包括许多拓扑结构可能不同的射频开关，而且还包括长度不同的连接器和电缆。因此，为了最大限度地减少 RF 应用中的信号衰减，设计高效的开关系统非常重要。这样做需要深入了解射频开关拓扑以及如何将它们组合起来构建开关网络。

--- 射频开关拓扑

存在的两种主要射频开关拓扑类型是多路复用器和通用继电器。可以将这两种射频开关组合在一起，构建大型复杂的开关网络。

通用射频继电器模块通常由 C 型 (SPDT) 继电器组成，通常用于在 2 个地方之间路由信号。例如，如果需要使用射频分析仪分析信号，然后通过天线将其广播到多个位置，则可以使用单个 SPDT 中继将其路由到两个位置。

多路复用器是按顺序将多个输入路由到单个输出或反之亦然的设备。多路复用器非常适合增加复杂且昂贵的仪器（例如射频分析仪和发生器）的通道数。多路复用器有用的一个例子是在生产车间测试大量生产的 RF 设备（如手机）的功能。假设这些设备以 100 个为一组进行测试。在这种情况下，将射频分析仪专用于测试每部手机的成本过高，因为这将需要 100 台射频仪器，其成本可能从几每个几千到几十万。

进行此测试的另一种方法是手动将所有 100 个设备一次一个地路由到单个 RF 仪器。虽然这条路线比拥有多个射频仪器更实惠，但它会显着增加测试时间。为该特定制造商设置的最佳测试设置是构建一个自动射频测试系统，该系统使用 100x1 多路复用器自动将 100 部手机路由到射频分析仪，射频分析仪进行测量并使用软件以适当的方式存储它。

通常，多路复用器可以使用多个 SPDT 继电器构建。出于这个原因，多路复用器的插入损耗通常高于其 SPDT 对应的插入损耗，因为多路复用器的插入损耗是包含在其中的单个 SPDT 继电器的插入损耗以及其插入损耗的总和。在这些 SPDT 继电器之间路由信号的 PCB 走线。

可以看出，在上图中，一个信号在PXI-2548通用射频开关模块中必须经过的SPDT继电器数量为1个。因此，该模块的插入损耗几乎等于 SPDT 继电器本身的插入损耗。但是，对于 PXI-2547，信号必须通过 3 个 SPDT 以及将这些 SPDT 连接在一起的 PCB 走线。因此，PXI-2547 的插入损耗将是每个单刀双掷继电器插入损耗的三倍以上。

当今市场上有多种现成的 RF 通用和多路复用器开关模块。这些现成的解决方案要么使用通常称为“罐”的同轴开关构建，要么使用印刷电路板 (PCB) 继电器。同轴开关或“罐”在其机械外壳中包含整个射频传输线。

另一方面，使用 C 型 (SPDT) PCB 继电器构建的模块使用 PCB 走线连接焊接到 PCB 的各个继电器。尽管使用 PCB 继电器构建的 RF 开关模块成本较低，但它们通常比同轴开关具有更高的插入损耗和 VSWR 规格，因为它们使用多个组件（即多个 SPDT 继电器、PCB 走线、焊料等）将输入路由到单个输出。

----如何选择正确的拓扑

如上所述，信号路径越间接，传输线中的插入损耗就越大。这个概念不仅适用于每个单独的开关模块，也适用于开关系统。考虑一个示例，其中通过级联 2 个 PXI-2557 75Ω 2.5 GHz 8x1 多路复用器构建了 16x1 多路复用器。该开关网络的插入损耗将是每个 PXI-2557 的插入损耗之和（它又是用于构建 PXI-2557 的 SPDT 继电器和 PCB 走线的插入损耗之和）和用于将它们连接在一起的电缆的插入损耗。图 5 说明了这个概念。

因此，为了最大限度地减少系统中的插入损耗，开关网络必须促进最短的信号路径。

示例：设计 7x1 多路复用器

方法 1：级联 2 个 4x1 多路复用器

构建 4x1 多路复用器的一种方法是通过将第一个多路复用器的 COM 连接到第二个多路复用器的输入通道来级联两个 4x1 多路复用器。这种设计存在一些重大缺陷，可能会导致测量和测试结果出现严重差异。也许这种设计的最大缺点是信号路径的长度因通道而异。

例如，来自被测设备 (DU1) 1 的信号在到达 RF 信号分析仪之前必须通过 4 个 SPDT 继电器。因此，DUT 1 信号路径中的损耗将是所有 4 个 SPDT 继电器和连接两个独立模块的电缆中发生的损耗之和。

另一方面，来自 DUT 7 的信号只需通过 2 个 SPDT 继电器，因此损失更少。除了通道间的插入损耗变化之外，信号反射也会不同。由于来自 DUT 1 的信号必须通过多个模块和电缆，因此它也必须通过多个连接器传播。因为连接器和电缆或开关模块之间总是存在微小的阻抗差异，所以会发生反射。

信号必须通过的连接器数量越多，系统中的反射就越大。因此，上述系统的 DUT 1 上发生的反射将远大于 DUT 7 上的反射。因为在实际测试系统中，保持测试所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系统将不适用。由于来自 DUT 1 的信号必须通过多个模块和电缆，因此它也必须通过多个连接器传播。因为连接器和电缆或开关模块之间总是存在微小的阻抗差异，所以会发生反射。信号必须通过的连接器数量越多，系统中的反射就越大。

因此，上述系统的 DUT 1 上发生的反射将远大于 DUT 7 上的反射。因为在实际测试系统中，保持测试所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系统将不适用。由于来自 DUT 1 的信号必须通过多个模块和电缆，因此它也必须通过多个连接器传播。因为连接器和电缆或开关模块之间总是存在微小的阻抗差异，所以会发生反射。

信号必须通过的连接器数量越多，系统中的反射就越大。因此，上述系统的 DUT 1 上发生的反射将远大于 DUT 7 上的反射。因为在实际测试系统中，保持测试所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系统将不适用。

信号必须通过的连接器数量越多，系统中的反射就越大。因此，上述系统的 DUT 1 上发生的反射将远大于 DUT 7 上的反射。因为在实际测试系统中，保持测试所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系统将不适用。信号必须通过的连接器数量越多，系统中的反射就越大。因此，上述系统的 DUT 1 上发生的反射将远大于 DUT 7 上的反射。因为在实际测试系统中，保持测试所有 DUT 的性能相同很重要，因此上述系统将不适用。

方法 2：使用具有固有 8x1 拓扑结构的模块

这种方法使用一个固有的 8x1 多路复用器来路由来自所有七个 DUT 的信号。由于在这种情况下整个系统都包含在一个模块中，因此最大限度地减少了外部电缆和额外连接器的使用。此外，源自 DUT 1 和 DUT 7 的信号将具有完全相同的路径长度。因此，对于这种设置，插入损耗和信号反射将是最小的。尽管始终建议尽可能使用固有拓扑，但通常很难找到现成的大型多路复用器。

方法三：使用SPDT继电器搭建7x1多路复用器

虽然这种构建 7x1 多路复用器的方法不如使用固有的 8x1 多路复用器有效，就像过去的例子一样，但它在设计上远远优于方法 1 中内置的系统。这是因为它使用了 Quad SPDT 模块将来自两个 4x1 多路复用器的信号路由到 RF 信号分析仪。通过这样做，交换网络允许 7x1 多路复用器的每个通道上的路径长度相等。因此，虽然信号反射和插入损耗会比方法 2 中的系统高，但对于所有通道来说都是一致的。