通过Tim Galla, Pasternack企业有源射频/微波组件产品经理
射频和微波开关通过传输路径以高度的效率路由信号。四个基本电气参数表征了这些开关设计的性能。
几个电气参数与射频和微波开关设计的性能有关，但有四个参数被认为对设计人员至关重要，因为它们具有很强的相互依赖性:隔离、插入损耗、开关时间和功率处理。
隔离是衡量开关关闭的有效程度。它是电路的输入和输出端口之间的衰减。插入损耗或传输损耗是通过开关在“接通”状态下所损失的总功率。插入损耗对设计人员来说是最关键的参数，因为它可能直接增加系统的噪声值。开关时间是开关从“开”到“关”和“关”到“开”的状态变化所需要的时间。这段时间从大功率开关的几微秒到低功率、高速设备的几纳秒不等。开关时间最常见的定义是测量从50%输入控制电压(TTL)到90%最终射频输出功率的时间。功率处理是开关能承受的最大射频输入功率，而电气性能不会有任何永久性下降。
射频和微波开关可分为两大类:机电(EM)中继开关和固态(SS)开关。有几种可能的设计配置，可以从单杆/单投(SPST)到单杆/ 16投或更高(SP16T)，其中一个输入可以在16种不同的输出状态之间切换。转换开关为双杆/双抛(2P2T)设计。它们有四个端口，具有两种可能的开关状态，并具有在两个源之间切换负载的能力。
电磁射频开关通常是较大的组件，因为它们包含了一系列线圈和机械触点。与普通继电器一样，通电线圈移动继电器触点。EM继电器开关具有低插入损耗(< 0.1 dB)，高隔离(>85 dB)，并能以毫秒级的速度切换信号。它们的主要优点是可以在直流和毫米波频率(50+ GHz)下工作，而且不容易受到静电放电(ESD)的影响。他们可以处理高功率水平(高达几千瓦的峰值功率)，没有视频泄漏。
当涉及到电磁射频开关时，有一些操作问题需要注意。它们的标准操作寿命可以限制在大约100万次循环，并且组件可以对振动敏感。运行寿命是指EM开关在满足所有射频和重复性规格的情况下完成的循环数。需要更高工作寿命的应用程序可以使用更高质量或高可靠性的电磁开关，它提供卓越的可靠性和性能，工作寿命可达1000万次。更长的寿命来自于更坚固的设计驱动器和传动环节，已优化磁效率和机械刚性。根据MIL-STD-2002，它们还设计来承受更严格的正弦和随机振动和机械冲击的环境条件。
例如，Pasternack企业提供标准电磁射频开关，其工作寿命为100万周期，以及高可靠性电磁射频开关，其工作寿命为250万至1000万周期。其中一个这样的设备是型号PE71S6064，一个SP2T高rel开关设计，从直流到40 GHz工作，并保证高达1000万循环。
相比之下，固态射频开关具有较低的封装轮廓，通常比EM版本更小，因为电路组件是平面的，不包含笨重的组件。开关元件要么是高速硅PIN二极管，场效应晶体管(FET)，要么是集成硅或FET MMIC(单片微波集成电路)。这些开关与其他分立芯片组件如电容器、电感器和电阻集成到电路板组件上。
使用PIN二极管电路的开关可以处理更多的功率，基于fet的开关通常有更快的开关速度。当然，固态开关没有活动部件，所以它们的使用寿命是无限的。它们具有很高的隔离级别(60到80+ dB)，超快的开关速度(<< 100 nsec)，并且电路组件能够很好地抵抗冲击和振动。
SS射频开关需要考虑的其他因素包括插入损耗。它不如电磁版本，而且它们在低频率下的使用有限，只能在千赫兹范围内工作(它们不能在直流范围内工作)。这种限制来自于半导体二极管固有的载流子寿命特性。
此外，SS射频开关对ESD更敏感。它们的功率处理能力取决于开关设计和连接器类型以及工作频率和暴露温度。一些PIN-diode开关设计可以处理高达几千瓦峰值功率的功率水平，但有一个与较慢的开关速度的折衷。一个例子是Pasternack的型号PE7167，一个SP4T PIN二极管开关设计，工作频率从500 MHz到40 GHz，具有100 nsec的最大开关速度和+20 dBm的输入功率处理。
总之，SS射频开关比EM版本更可靠，使用时间更长，开关速度更快。因此，在快速切换速度和高可靠性要求很高的应用中，它们是首选。具有宽频率覆盖至直流和需要低插入损耗的应用是EM射频开关的候选，如果使用寿命绝对必要，则首选高可靠性版本。
设计人员还应注意与这些开关设计相关的其他功能。50-Ω电阻性负载是一个例子。开关电路中任何未使用的开路传输线都有可能在微波频率下发生共振。共振可能导致功率反射回有源并损坏它，特别是在一个工作在26ghz或更高频率的系统中，隔离性下降了很多。许多传输线被设计成具有50-Ω阻抗，因此射频开关包含50-Ω电阻负载反射的能量很少。
电磁射频开关分为端接和不端接两种。在终止版本中，当所有路径以50-Ω负载终止时，所选路径是关闭的，因此所有电流都被切断或隔离。入射信号能量被终端电阻吸收，因此没有反射回来的信号。未终止的交换机没有50-Ω负载。因此，阻抗匹配必须发生在系统的其他部分，以减少反射。但无端接开关的优点是插入损耗较低。
同样重要的EM射频开关是电枢继电器机构。当线圈通电时，感应磁场移动电枢线圈，从而打开或关闭触点。有些模型是无闭锁的，具有常闭初始位置。弹簧或磁铁的力使开关关闭，而没有电流流过。常闭设备在电源丢失时开关必须返回已知状态的应用中很有用。
其他模型有闭锁机制。它们没有默认位置，在没有电源的情况下保持最后的位置。闭锁继电器在功耗和损耗是一个问题的地方是有用的。触点的线圈只在继电器关闭时一瞬间消耗电力。
一些型号有故障安全模式，总是返回射频路径到断电位置，当没有电压施加到线圈。但这一特性要求电压持续施加到线圈上，以保持通电位置。与闭锁开关设计相比，这种连续通电可以导致较低的平均故障间隔时间(MTBF)。
在电磁射频开关中要考虑的另一个特性包括一组连接到开关射频路径的线圈的辅助直流触点。辅助触点通常控制指示灯或指示灯，指示射频路径的位置。它们也可用于向外部控制系统提供状态信息。
开关的细节
SS射频开关可分为吸收型和反射型。吸收开关在每个输出端口使用一个50-Ω负载终端，这导致在开和关状态下的低驻波比(电压驻波比)。在终止端口中，终止电阻吸收从未终止端口反射的入射信号能量。当输入端有一个信号必须通过交换机传播时，开放端口与终端断开，这样所有的信号能量都可以传播通过。吸收开关用于最小化反射回射频源的应用。
相反，反射开关没有终端电阻。因此它们的开放端口有更低的插入损耗。反射开关适用于高离埠驻波比不是关键的应用场合。阻抗匹配在系统的另一点提供。
SS开关要考虑的另一个重要特性是驱动电路。一些SS开关设计具有集成驱动程序，其中TTL逻辑状态可用于特定的控制功能。TTL驱动器提供所有必要的电流，以确保二极管有反向或正向偏置电压。
RF EM或SS开关有多种封装尺寸和连接器配置。大多数同轴开关设计使用SMA连接器，工作频率高达26ghz。工作频率高达40 GHz的设计通常使用2.92 mm或K连接器。工作频率高达50 GHz的设计使用2.4 mm连接器，而工作频率高达65 GHz的设计使用1.85 mm连接器。
波导端口开关广泛应用于微波和毫米波频段的高功率通信信号。它们提供了最低的插入损耗。同轴开关设计处理更多的电力(高达几百瓦的CW功率)可能使用更大的n型或TNC连接器。包装风格可以从没有环境密封的商业等级，到密封以承受恶劣条件的高可靠性等级。
参考文献
Pasternack企业
《华盛顿邮报》射频开关基础知识第一次出现在模拟集成电路提示．
了下:模拟集成电路提示，电容器，无线
