設計與構建完美的開關測試系統

　　測試中常常會遇到這樣的情況：系統中的開關非常完美，沒有信號損失或泄漏；所有的信號以點到點的方式進行傳輸，沒有信號衰減。但是，系統的功能卻不正常。這是為什么呢？本文將剖析在測試系統中配置開關時常見的一些錯誤，并介紹幾種有助于避免這些開關錯誤的正確設計技術。

　　常見錯誤的來源

　　設計者在配置開關測試系統時會出現一些常見的錯誤，其中大多數錯誤很容易發現并糾正。下面所介紹的是一些相對容易發現的問題。

　　繼電器開路——繼電器或開關在理想的開路狀態下，接觸點之間的阻值是無窮大的。實際上，其中總是存在一定的有限阻值，關鍵是要確定這些開路阻值大小，以判斷它是否會影響信號在系統內的傳輸。

　　繼電器閉合——繼電器或開關在理想的閉合情況下，觸點之間是沒有電阻的。實際上，開關總是有很小的閉合電阻。大多數觸點都有幾個毫歐量級的電阻。這一阻值通常在使用過程中會不斷增大。大部分繼電器在報廢時的接觸電阻大約為2Ω左右。即使在這樣高的阻值下，繼電器仍然能夠正常工作，只是它會對通過開關的信號產生較大的影響。

　　通道間隔離度——來源于相鄰通道的串擾和信號泄漏是一個很難解決的問題。采用合適的開關元件能容易地實現正確的設計指標。通道間隔離度是衡量任意兩個相鄰開關之間電氣隔離性能的指標。隔離度越高，通道之間產生的信號串擾或泄漏就越少。典型情況下，通道間的隔離度高于10GΩ，電容低于100pF。在設計開關系統時，我們必須考慮觸點間的電阻。

　　繼電器穩定時間——穩定時間是繼電器觸點停止反跳，形成固定可靠的連接所需的時間，典型的穩定時間為毫秒量級。如果信號的阻抗極高（如很小的電流），那么它可能需要幾秒甚至幾分鐘的穩定時間。穩定時間與對線纜或電路中的雜散電容進行充電的時間直接相關。阻抗越高，電流越小，信號穩定所需的時間越長。

　　開關及相應布線對信號質量的影響——每種信號都有自身獨特的干擾特性，選擇合適的布線方法可以減少或消除這些干擾。如果沒有使用合適的布線方法，傳輸的信號將會有所失真。對于高頻開關系統，如果在特征阻抗為50Ω的系統中采用75Ω的同軸線纜將會引起信號反射和較差的VSWR（電壓駐波比）。

　　避免開關錯誤的設計技巧

　　大規模射頻矩陣——隨著通信行業的飛速發展，構成不同通信系統的各種電子元件都需要進行大量的測試。這些元件涵蓋的范圍從有源元件（如RFIC：射頻集成電路）到完整的通信系統。射頻測試系統中的主要元件可能包括直流偏壓源、直流測量射頻功率計、網絡分析儀、射頻信號源和其它一些儀器。實現測試過程的自動化并提高測試的效率需要將射頻/微波和低頻開關系統集成到測試系統中。射頻矩陣是測試系統的一個重要組成部分。通常，當需要將多件測試設備與多個器件相連接時，就需要采用射頻矩陣式的開關系統。待測器件的個數以及所需的測試設備的數目通常決定了射頻矩陣的規模。乍一看來，實現這種測試系統可能需要很大規模的矩陣，但是通過進一步的分析不難發現矩陣規模可能并沒有想象的那么大。

　　實現射頻開關控制有三種射頻矩陣。掌握這些矩陣的特性，有利于縮小矩陣規模，提高矩陣的效率。

　　1．非阻塞矩陣——這種矩陣能夠同時連接多個輸入/輸出的單通路，最高能夠支持的通路數為矩陣的輸入數，如圖1所示。這種矩陣的功能是最靈活的，成本也是最高的。盡管我們關閉多條通路，但只在直流測試系統中是可行的（如將一個連續的偏壓加載到多個DUT上）。阻抗匹配問題限制了在射頻與微波的開關操作中關閉多條通路的可能性。假設矩陣系統處于測量儀器與DUT之間，確保系統中所有元件的阻抗匹配是非常重要的。為了實現最佳的信號傳輸性能，源的輸出阻抗應該等于開關、線纜和DUT的總阻抗。正確的阻抗匹配能夠提高信號完整性。

　　2．阻塞矩陣——這種矩陣能夠實現一個輸入與任意一個輸出之間的連接，任意時刻矩陣中只有一條信號通路有效，如圖2所示。這種矩陣帶有一定的局限性，但是對于射頻與微波信號而言，傳輸通路的阻抗必須匹配。一次關閉多條通路會引起反射，從而影響信號的VSWR，導致信號與功率的損耗。因此，阻塞矩陣雖然具有一定的局限性，但在大多數情況下它對于提高信號質量是必需的。

　　3．全矩陣與子矩陣——這種矩陣能夠同時連接一個輸入到多個輸出，如圖3。開關主控機包括信號轉化控制的開關卡。開關卡通常設計為1x4的模塊，即一個卡上可能包含三個或四個1x4的開關。將這些開關配置在一起可以構成更大規模的矩陣，其中包含更多的行或列，或者同時增大行列數，但是需要在系統的每個輸入端配置功率分配器，在輸出端配置多路開關。另外，阻抗匹配也很重要。這種結構的優勢在于：不需要無端接插頭，能夠訪問所有的通道，各通路具有相似的特性。不足之處包括，需要大量的布線并使用很多同軸繼電器。