一種8路射頻信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊威++杜明玉

【摘 要】射頻開(kāi)關(guān)是通信系統(tǒng)中一種重要的信號(hào)切換與通斷控制器件。設(shè)計(jì)了一種工作于0.8GHz—2.5GHz頻段的多芯片集成的8端輸入單端輸出的射頻開(kāi)關(guān)電路，并描述了具體的系統(tǒng)工作原理和器件特性。根據(jù)插入損耗、駐波比、隔離度指標(biāo)給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)策略并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】選擇開(kāi)關(guān) 插入損耗 駐波比 隔離度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-17-0089-04

1 引言

在通信系統(tǒng)中通常采用開(kāi)關(guān)切換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通斷與控制，射頻開(kāi)關(guān)是一種工作在射頻頻段用于控制射頻信號(hào)大小及路徑的控制器件[1]。由于射頻開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低、信號(hào)損耗低、高速切換等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用在載波電話切換、有線電視信號(hào)切換、有線電視信號(hào)開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域。比如在射頻硬件系統(tǒng)備份時(shí)，一路通路壞掉可以通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)切換到備份通路上[2]。

本文采用3-8譯碼器，PIN二極管開(kāi)關(guān)芯片以及8選1集成開(kāi)關(guān)芯片設(shè)計(jì)了一款8端輸入單端輸出的選擇開(kāi)關(guān)電路。

2 系統(tǒng)原理及構(gòu)成概述

2.1 系統(tǒng)原理描述

本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路工作在0.8GHz—2.5GHz頻段，工作電壓為+5V。共有8路射頻信號(hào)分別從8個(gè)輸入端口（J1～J8）輸入，最終由共用的輸出端口J0輸出經(jīng)開(kāi)關(guān)選擇后的某一通路信號(hào)，完成信號(hào)的8路通斷選擇功能。

該開(kāi)關(guān)電路的選擇功能由3個(gè)數(shù)字控制位C1、C2、C3不同的高低電平的組合來(lái)完成，C1、C2、C3和模塊中的3-8譯碼器的3個(gè)地址輸入管腳連接，C1、C2、C3的不同電平組合使得譯碼器的8個(gè)輸出管腳中不同的某個(gè)管腳輸出高電平，其余管腳均為低電平。譯碼器的8個(gè)輸出管腳分別連接8個(gè)單端輸入單端輸出的開(kāi)關(guān)芯片的控制電壓管腳，當(dāng)控制電壓電平為高時(shí)，開(kāi)關(guān)芯片工作（即導(dǎo)通），反之芯片不工作（不導(dǎo)通），這樣就實(shí)現(xiàn)了譯碼器對(duì)開(kāi)關(guān)芯片通斷的控制，完成了8路的選擇功能。

由于是8路信號(hào)輸入單端輸出，因此模塊的輸出部分為一個(gè)8選1集成開(kāi)關(guān)芯片，完成8路經(jīng)由前級(jí)單端輸入單端輸出開(kāi)關(guān)選擇的信號(hào)最終從共用端口J0輸出的功能。至此，整個(gè)電路功能實(shí)現(xiàn)。

通路的控制邏輯如表1所示（“0”代表GND，“1”代表+5V）：

（1）3-8譯碼器MC74HC238A

文中用到的譯碼器為ON Semiconductor的一款3-8譯碼器，工作電壓范圍為+2V～+6V，該設(shè)計(jì)中采用+5V電源供電。MC74HC238A有3個(gè)地址輸入端A2、A1、A0，8個(gè)輸出端Y0～Y7，每個(gè)輸入地址高低電平的組合都只有一個(gè)輸出端輸出為高電平（約為4.6V），該高電平用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)芯片PE4251，從而完成開(kāi)關(guān)選擇功能。

（2）射頻開(kāi)關(guān)芯片PE4251

開(kāi)關(guān)芯片PE4251是Peregrine公司的一款低損耗、高隔離、快速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間僅有150ns，芯片采用3.3V或5V供電，有2個(gè)開(kāi)關(guān)控制引腳V1和V2，V1為高電平時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，V1為低電平時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；V2是V1的補(bǔ)足管腳，與V1的電平正好相反，V2用來(lái)給輸出端口的芯片HMC253LC4供電。PE4251還有2個(gè)射頻輸入管腳RF1和RF2，文中只用到管腳RF1，而RF2通過(guò)電阻接地。

（3）8選1集成開(kāi)關(guān)芯片HMC253LC4

HMC253LC4是Hittite的一款帶有3-8譯碼器功能的8路信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)集成芯片，該芯片插損低（工作頻帶內(nèi)約為1.5dB），相互管腳通路之間的隔離度好，和前述芯片一樣工作電壓為5V。該芯片有3個(gè)選擇控制引腳CTLC、CTLB、CTLA同3-8譯碼器MC74HC238A的3個(gè)控制引腳A2、A1、A0相接，保證前后選擇通路的一致性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路模塊對(duì)某一路射頻信號(hào)的選擇功能。

（4）電源及控制接口

該電源和控制接口由一個(gè)DB-9P連接器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路的+5V電壓供電和控制信號(hào)C1、C2、C3的輸入。其中1、2、3號(hào)接口為控制信號(hào)C1、C2、C3接口，7號(hào)接口為+5V供電接口，9號(hào)接口為接地端口，4、5、6、8號(hào)接口為未使用接口，DB-9P連接器示意圖如圖2所示：

x

（5）底座及蓋板

在射頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，僅有電路的設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，空間信號(hào)的復(fù)雜性以及相互之間的串?dāng)_使得一個(gè)射頻電路如果沒(méi)有任何屏蔽裝置的保護(hù)與隔離，很可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際電路性能達(dá)不到預(yù)設(shè)的指標(biāo)要求，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)的失敗[3]。因此本次開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)結(jié)構(gòu)件底座及蓋板的設(shè)計(jì)。

底座的主要作用是固定開(kāi)關(guān)電路的PCB板，保護(hù)單板不受外力作用的損傷；同時(shí)底座還通過(guò)螺釘將輸入輸出端口的SMA射頻連接器固定在其結(jié)構(gòu)件上，防止在接線時(shí)由于外力扭動(dòng)造成輸入輸出端口焊盤(pán)脫焊損壞。

蓋板起到屏蔽外部信號(hào)和隔離內(nèi)部電路干擾的作用，在各通路信號(hào)走線的上方留有溝槽，而沿著信號(hào)走線之間則被蓋板的凸起部分隔離開(kāi)來(lái)，防止不同通路之間信號(hào)的泄露干擾，保證輸出信號(hào)的正確和電路性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 指標(biāo)設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)

3.1 插入損耗

插入損耗反映電路接入后對(duì)信號(hào)的衰減程度，插入損耗應(yīng)盡可能的小以降低給信號(hào)衰減帶來(lái)的功率損失。該開(kāi)關(guān)插入損耗要求為≥-3dB。

插入損耗的預(yù)算主要取決于信號(hào)鏈路上的各個(gè)元器件的插入損耗的線性疊加。信號(hào)從開(kāi)關(guān)芯片PE4251輸入，查找PE4251的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知在0.8GHz—2.5GHz頻段內(nèi)插損的最大值約為0.9dB，輸出端為8選1集成開(kāi)關(guān)芯片HMC253LC4，其在工作頻帶內(nèi)的插入損耗最差值約為1.6dB。因此理論上該開(kāi)關(guān)電路的插入損耗值大約在-2.5dB，考慮到器件一致性問(wèn)題和設(shè)計(jì)余量，將插損指標(biāo)定在3dB是能夠?qū)崿F(xiàn)的。endprint

3.2 輸入輸出駐波比

輸入輸出駐波主要反映端口的匹配好壞，過(guò)大的駐波會(huì)造成信號(hào)能量的損失和器件的損傷或損壞，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號(hào)輸入端口為開(kāi)關(guān)芯片PE4251的RF1管腳，根據(jù)PE4251數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的對(duì)應(yīng)工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據(jù)實(shí)際焊接的情況來(lái)看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點(diǎn)的平滑程度有關(guān)。焊錫量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致接頭盒信號(hào)線接觸不充分，焊錫量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致與信號(hào)線旁的地端距離過(guò)近，這些都會(huì)造成駐波不同程度的惡化；焊點(diǎn)如果不夠平滑，出現(xiàn)尖刺，同樣會(huì)使駐波惡化?；谶@些不可控的人為焊接影響，可能出現(xiàn)特性的不一致性，因此指標(biāo)留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數(shù)據(jù)手冊(cè)可知大概在1.43左右，考慮余量問(wèn)題指標(biāo)定為≤1.6是實(shí)際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號(hào)泄露或干擾的強(qiáng)弱程度，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口之間的隔離度指標(biāo)要求為ISO≤-55dB。

實(shí)現(xiàn)隔離度指標(biāo)主要靠蓋板中的隔離結(jié)構(gòu)以及蓋板與電路盤(pán)的接觸緊密程度。隔離結(jié)構(gòu)就是按照各通路信號(hào)的走向通過(guò)挖溝槽的措施起到信號(hào)各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關(guān)系，二者之間很小的縫隙將導(dǎo)致隔離度的惡化，因此在設(shè)計(jì)蓋板的尺寸時(shí)要做到精細(xì)才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

4.1 插損及駐波比測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)切換或通斷的功能實(shí)現(xiàn)中，射頻開(kāi)關(guān)電路發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響著信號(hào)通過(guò)的質(zhì)量、信號(hào)切換的速度、所能容納的信號(hào)功率容量等。文中不僅給出了理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)規(guī)劃，同時(shí)還指出了在實(shí)際電路制作過(guò)程中該如何采取適當(dāng)策略保證模塊的最終特性滿足指標(biāo)要求。基于此，本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號(hào)的切換選擇功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)豐慶，錢(qián)澄. 射頻開(kāi)關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪蓮，吳鳴鳴. 一種新型微波射頻開(kāi)關(guān)（4×2）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯(lián)射頻MEMS開(kāi)關(guān)的工藝研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開(kāi)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)方法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011（2）.

[5] 張楠，馮宇波. PIN二極管在射頻開(kāi)關(guān)電路中的工作原理及應(yīng)用[J]. 科技信息， 2007（2）.endprint

3.2 輸入輸出駐波比

輸入輸出駐波主要反映端口的匹配好壞，過(guò)大的駐波會(huì)造成信號(hào)能量的損失和器件的損傷或損壞，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號(hào)輸入端口為開(kāi)關(guān)芯片PE4251的RF1管腳，根據(jù)PE4251數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的對(duì)應(yīng)工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據(jù)實(shí)際焊接的情況來(lái)看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點(diǎn)的平滑程度有關(guān)。焊錫量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致接頭盒信號(hào)線接觸不充分，焊錫量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致與信號(hào)線旁的地端距離過(guò)近，這些都會(huì)造成駐波不同程度的惡化；焊點(diǎn)如果不夠平滑，出現(xiàn)尖刺，同樣會(huì)使駐波惡化。基于這些不可控的人為焊接影響，可能出現(xiàn)特性的不一致性，因此指標(biāo)留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數(shù)據(jù)手冊(cè)可知大概在1.43左右，考慮余量問(wèn)題指標(biāo)定為≤1.6是實(shí)際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號(hào)泄露或干擾的強(qiáng)弱程度，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口之間的隔離度指標(biāo)要求為ISO≤-55dB。

實(shí)現(xiàn)隔離度指標(biāo)主要靠蓋板中的隔離結(jié)構(gòu)以及蓋板與電路盤(pán)的接觸緊密程度。隔離結(jié)構(gòu)就是按照各通路信號(hào)的走向通過(guò)挖溝槽的措施起到信號(hào)各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關(guān)系，二者之間很小的縫隙將導(dǎo)致隔離度的惡化，因此在設(shè)計(jì)蓋板的尺寸時(shí)要做到精細(xì)才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

4.1 插損及駐波比測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)切換或通斷的功能實(shí)現(xiàn)中，射頻開(kāi)關(guān)電路發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響著信號(hào)通過(guò)的質(zhì)量、信號(hào)切換的速度、所能容納的信號(hào)功率容量等。文中不僅給出了理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)規(guī)劃，同時(shí)還指出了在實(shí)際電路制作過(guò)程中該如何采取適當(dāng)策略保證模塊的最終特性滿足指標(biāo)要求?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號(hào)的切換選擇功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)豐慶，錢(qián)澄. 射頻開(kāi)關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪蓮，吳鳴鳴. 一種新型微波射頻開(kāi)關(guān)（4×2）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯(lián)射頻MEMS開(kāi)關(guān)的工藝研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開(kāi)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)方法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011（2）.

[5] 張楠，馮宇波. PIN二極管在射頻開(kāi)關(guān)電路中的工作原理及應(yīng)用[J]. 科技信息， 2007（2）.endprint

3.2 輸入輸出駐波比

輸入輸出駐波主要反映端口的匹配好壞，過(guò)大的駐波會(huì)造成信號(hào)能量的損失和器件的損傷或損壞，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號(hào)輸入端口為開(kāi)關(guān)芯片PE4251的RF1管腳，根據(jù)PE4251數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的對(duì)應(yīng)工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據(jù)實(shí)際焊接的情況來(lái)看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點(diǎn)的平滑程度有關(guān)。焊錫量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致接頭盒信號(hào)線接觸不充分，焊錫量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致與信號(hào)線旁的地端距離過(guò)近，這些都會(huì)造成駐波不同程度的惡化；焊點(diǎn)如果不夠平滑，出現(xiàn)尖刺，同樣會(huì)使駐波惡化?；谶@些不可控的人為焊接影響，可能出現(xiàn)特性的不一致性，因此指標(biāo)留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數(shù)據(jù)手冊(cè)可知大概在1.43左右，考慮余量問(wèn)題指標(biāo)定為≤1.6是實(shí)際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號(hào)泄露或干擾的強(qiáng)弱程度，本設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)電路輸入端口之間的隔離度指標(biāo)要求為ISO≤-55dB。

實(shí)現(xiàn)隔離度指標(biāo)主要靠蓋板中的隔離結(jié)構(gòu)以及蓋板與電路盤(pán)的接觸緊密程度。隔離結(jié)構(gòu)就是按照各通路信號(hào)的走向通過(guò)挖溝槽的措施起到信號(hào)各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關(guān)系，二者之間很小的縫隙將導(dǎo)致隔離度的惡化，因此在設(shè)計(jì)蓋板的尺寸時(shí)要做到精細(xì)才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

4.1 插損及駐波比測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)切換或通斷的功能實(shí)現(xiàn)中，射頻開(kāi)關(guān)電路發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響著信號(hào)通過(guò)的質(zhì)量、信號(hào)切換的速度、所能容納的信號(hào)功率容量等。文中不僅給出了理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)規(guī)劃，同時(shí)還指出了在實(shí)際電路制作過(guò)程中該如何采取適當(dāng)策略保證模塊的最終特性滿足指標(biāo)要求?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號(hào)的切換選擇功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)豐慶，錢(qián)澄. 射頻開(kāi)關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪蓮，吳鳴鳴. 一種新型微波射頻開(kāi)關(guān)（4×2）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯(lián)射頻MEMS開(kāi)關(guān)的工藝研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開(kāi)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)方法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011（2）.

[5] 張楠，馮宇波. PIN二極管在射頻開(kāi)關(guān)電路中的工作原理及應(yīng)用[J]. 科技信息， 2007（2）.endprint