測試系統阻抗匹配與開關質量的評價

如果已知駐波的最大幅值和最小幅值，那么圖4中系統的VSWR就可以按照下式計算出來了：

VSWR還可以用于計算信號的回波損耗：

總的傳輸線損耗通常等于導線上的功率損耗(也稱為傳導損耗或電阻損耗)和系統內阻抗失配引起反射導致的損耗。在如圖6所示的射頻系統中，50-W的源和負載通過一條1m、75-W的同軸電纜連接在一起。在這個例子中，總的功率反射是由兩個阻抗不連續點導致的，第一個點位于源和傳輸線之間，第二個點位于傳輸線和負載之間。

即使假設圖6中的傳輸線是無損的，圖7中左邊的圖表示介入損耗也多達0.7dB，這一損耗僅僅是由系統中的阻抗不連續而造成的。該圖中波峰和波谷之間的距離主要取決于所用線纜的長度。圖7中右邊的圖假設傳輸線有一定的傳導和電阻損耗。該圖中曲線的斜率表示該線纜的傳導和介電損耗，而曲線的波紋是由于回波損耗隨頻率的變化而造成的(在這個例子中多達0.7dB)。

反射現象不僅出現在不匹配的射頻系統中，而且出現在不匹配的射頻系統元件中。因此，阻抗匹配不僅僅是最終用戶需要考慮的問題，而且也是射頻儀器和器件(例如發生器、分析儀和開關)的制造商需要考慮的問題。例如，一個PXI射頻開關是由多個不同的元件組成的，包括PCB(Printed-Circuit-Board，印制電路板)線路、內部線纜和射頻繼電器。其中任何元件之間的阻抗失配都會嚴重影響開關的VSWR和回波損耗指標。由于各個廠商在射頻開關模塊的設計和元器件的選擇上各有不同，因此我們必須檢查最終產品的VSWR和介入損耗這兩項指標，以確保可能由開關引起的信號反射幅值符合要求，并且要分析介入損耗的大小，判斷該射頻開關模塊是否能夠滿足特定測試系統的需要。

高性能的射頻開關在選擇元器件和設計方案時會盡可能地減少阻抗失配，保證盡可能小的介入損耗和反射，以減少高頻下的測量誤差。射頻開關中實際使用的繼電器的品質對整個開關的性能有很大的影響。制造射頻開關模塊時最常用的兩種繼電器是PCB裝配的繼電器和同軸開關。

PCB裝配的繼電器有多種可能的配置，其中有一種是Form C SPDT(single-pole double-throw，單刀雙擲)繼電器。將多個SPDT繼電器安裝在一個PCB上可以構成更大規模的開關，例如多選開關(SP4T以及更多的擲數)或者開關矩陣。例如，美國國家儀器公司(www.ni.com)提供的PXI-2547型50-W、2.7GHz、8 1多選開關就是由七個Form C PCB裝配的SPDT繼電器構成的。

多個廠商都能夠生產用于構建多選開關的PCB裝配式繼電器，其中某些型號的性能可達幾個GHz。由于在PCB的裝配設計中，繼電器的引線是焊接在PCB上的，因此開關模塊的制造商必須采用一種阻抗受控的方式將I/O連接器與繼電器連接在一起。這需要使用具有合適幾何結構及適當長度的PCB布線，以及高品質的連接器和線纜。采用50-W PCB布線的75-W開關模塊就是一個設計糟糕的模塊實例。由于PCB布線和用于構成開關的其他元件之間存在阻抗失配，所以這種產品對于高頻信號會引起嚴重的功率損耗。因此，制造開關的設計專家對于使用PCB裝配器件方式構成的開關模塊的性能有著至關重要的影響。盡管繼電器的內部阻抗無法改變，但是采用適當的設計技術能夠最大限度地減少由于阻抗不連續而導致的反射問題。NI公司的PXI-2547(如圖8所示)采用了精心的設計方案，將介入損耗控制在3dB以下(在2.7GHz的帶寬下，介入損耗通常低于1.6dB)。

使用同軸開關或“罐”式結構的模塊相比基于PCB元件裝配的方式具有更大的性能優勢。由于整個射頻傳輸通路都包含在外殼中，由同軸連接器提供與測試信號的接口，因此同軸開關能夠實現較低的介入損耗。但是，這種結構的成本比PCB裝配的繼電器更高，同時占用的系統空間也更大。美國國家儀器公司的PXI-2596型26.5-GHz 雙6 1多選開關就采用了同軸開關的結構，它在26.5GHz頻率下的介入損耗低于0.6dB。

如前所述，開關模塊的設計在PCB裝配式開關模塊的設計中尤為重要，這是因為：與同軸開關不同，這種模塊中與繼電器的接口是通過分開的線纜和PCB布線實現的。連接器通常會導致信號反射，因此在選擇連接器時必須十分慎重。對于大多數PCB裝配式設計，某個模塊需要工作的最高頻率決定了所使用的連接器類型。SMA連接器具有尺寸小、性能高的特點，常用于大多數50-W的應用。它們具有50-W的特性阻抗，不適合用于75-W的開關模塊中。

在設計PCB裝配式開關模塊時，也必須考慮PCB布線的影響。PCB布線的阻抗必須與繼電器和連接器的阻抗相匹配，它的大小取決于銅線的幾何結構以及所使用的介質材料。開關模塊PCB設計中最常用的傳輸線類型包括微帶、帶狀線和CPW(Coplanar Waveguide，共面波導)。每種類型都有其優勢和弱點。例如，帶狀線比微帶線具有更好的隔離度。但是，由于帶狀線需要在信號布線層的上面和下面都設置接地面，因此它需要采用通孔(很難實現阻抗匹配)來實現較好的電氣連接性能。CPW在不同的布線寬度下能夠保持特性阻抗不變，但是它與接地面的間隙寬帶必須做相應地變化。

上述各個因素對于射頻開關系統的設計是非常重要的。選擇高品質的射頻產品對于實現高性能的射頻測試系統是必不可少的。但是它們不能彌補糟糕的系統設計所帶來的問題。如果在一個75-W的測試系統中傳輸信號，即使采用最好最昂貴的50-W射頻開關也會導致嚴重的反射問題。因此，實現高性能的射頻測量系統應該選用阻抗匹配的元件。