無線通訊產業的蓬勃發展，對無線設備的元件測試造成很大的衝擊，包括對組成通訊系統的各種射頻積體電路（RF IC）和單晶微波積體電路（microwave monolithic IC）的測試。這些測試通常需要很高的頻率，普遍都在GHz範圍。本文將討論RF和微波切換測試系統中的關鍵元件，包括不同的切換方式、RF切換卡的規格，並協助測試工程師提高測試處理能力、降低測試成本的RF切換設計中所需考慮的問題。

射頻切換和低頻切換參數的區別

將信號從一個頻率點切換到另一個頻率點看似簡單，但要在切換的同時達成極低的信號損失，這又該如何實現？在設計低頻和直流（DC）信號的切換系統都需要考量它們特有的參數，包括接觸電位（contact potential）、穩態時間（settling time）、偏移電流（offset current）和隔離特性等。

高頻信號，與低頻信號類似，需要考慮其特有的參數，而這些參數，包括電壓駐波比（voltage standing wave ratio；VSWR）、插入損耗（insertion loss）、頻寬和隔離等等，會影響切換過程中的信號表現。此外，硬體選項，比如端點、連接器類型、繼電器類型，也會極大地影響這些參數。

《圖一　高頻機電繼電器示意圖》

切換種類和構造

繼電器接頭設計

繼電器內的電容是限制切換信號頻率的常見因素。繼電器的材料和物理特性決定了其內部電容。舉例來說，電極之間的電容藉著耦合電極之間、或是繼電器之間的信號，降低AC信號的隔離。

在機電繼電器（electromechanical relay）中採用了特殊的接頭和架構，可協助高達40GHz的射頻和微波切換獲得更好的性能。圖一便顯示一個典型的構造，共同端接位在兩個切換端接之間。所有信號的連接線路都是同軸線，以確保最佳的信號完整性（SI）。在這種情況下，接頭形式採SMA母接頭（female SMA）。對於更加複雜的切換結構，共同端子被各個切換端子放射狀圍繞。

《圖二　單通道阻斷（blocking）矩陣和無阻斷（non-blocking）矩陣示意圖》

兩種切換拓墣和矩陣架構

一系列複雜的切換拓撲在RF切換中被採用。一個矩陣式切換器可以連結每個輸入和輸出。兩種類型─阻斷（blocking）和無阻斷（non-blocking）─的矩陣在微波切換架構中被採用。一個阻斷矩陣可將任意一個輸入和任意一個輸出進行連接，並使其他的輸入和輸出無法同時緊行連接。這對同一時間只需切換到一個信號頻率的應用，是一個具成本效益的解決方案。信號完整性也將更好，因為有較少的繼電器路徑，尤其避免了相位延遲（phase delay）的問題。而無阻斷矩陣允許多個路徑同時連接，這種架構具有更多的繼電器和纜線，能提供更有彈性的配置方法，不過價格也更高。

《圖三　cascade切換架構示意圖》

cascade和樹狀切換架構

cascade切換架構是多點切換的一種替代形式。它採用多個繼電器將一個輸入連接到多個輸出。路徑長度（同時決定了相位延遲）由信號通過的繼電器的數量決定。

樹形架構是cascade切換架構的一種替代方案。與cascade架構相比，針對同樣規格的系統，樹形架構需要更多的繼電器，因此需把選定的路經和其他不用的路經之間隔離開來，以協助降低繼電器和通道之間的交替干擾（crosstalk）。除此之外，樹形架構也具備一些優勢，包括無端接殘餘（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在選定路經上設有多個繼電器意味著更大的能量損失，信號完整性也有待商榷。

《圖四　多重切換示意圖（圖示為一個雙重切換）》

RF切換卡電氣規格要點

安裝於測試儀器主機上的RF切換卡，需要包含許多電氣規格（electrical specification），以保持信號的完整性。

• ●交替干擾（crosstalk）：是指不同通道上傳送的信號之間或通道上信號與輸出信號之間產生的寄生電容耦合、電感耦合或電磁輻射。一般用特定負載阻抗和特定頻率下的分貝數來表示。





• ●插入損耗（insertion loss）：是指信號在切換卡或系統中傳輸時的衰減，用特定頻率範圍的分貝數來表示。當信號低或者雜訊大的時候，插入損耗是相當重要的指標。





• ●電壓駐波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是對信號在傳輸過程中反射的測量，表示為信號路徑上最高電壓與最低電壓的比值。





• ●信號頻寬：是信號進行切換、傳輸或者放大處理的有限的頻率範圍。對於既定的負載條件，頻寬用-3dB（半功率）定義。





• ●隔離：是鄰近通道功率水平之間的比率，表示為一個頻率範圍上的分貝數。

RF切換設計大要

設計RF切換系統前需額外考量的關鍵因素包括以下：

阻抗匹配（Impedance Matching）

若將切換置於量測儀器和受測元件（DUT）之間，必須要對系統中的阻抗進行匹配。為達成最佳的信號傳輸，電源的輸出阻抗應等於切換、纜線及受測元件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF測試中，普遍被使用的阻抗等級為50和75歐姆。無論何種阻抗等級，適當的阻抗匹配將協助確保整個系統的完整性。

輸入VSWR和信號路徑VSWR決定了量測的精確程度。

《公式一　》

如果信號路徑輸出和儀器輸入具有很好的VSWR，比如1.3：1，不匹配不確定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。

中止（Termination）

在高頻率情況下，所有信號必須被適當地中止，否則電磁波將從端接上反射，導致VSWR的增加。一個沒有端接的切換在中斷狀態會增加VSWR，一個有端接的切換一般需要提供50歐姆的電阻來匹配連通或中斷狀態。VSWR增加後，如果反射部分夠大，甚至有可能損壞電源。

功率傳輸（Power Transmission）

另一個重要的考量是系統從儀器傳送射頻功率至受測元件的能力。由於插入損耗，信號常常需要放大。一些應用場合，又可能需要減少信號傳至受測元件上的功率。使用放大器或衰減器可確保將所需的信號功率值通過切換系統傳送。

信號濾波器（Signal Filters）

信號濾波器在某些情況下相當有用，比如雜訊不小心加到透過切換傳送的信號上的時候。如果原始信號頻率不適合受測元件的測試頻率，濾波器也很有用。在這種情況下，濾波器可被加到切換上以改變信號頻寬或者濾除不需要的信號頻率。

相位失真（Phase Distortion）

隨著測試系統尺寸的擴大，來自相同信號源的信號可能會通過不同的途徑傳送至受測元件，進而導致相位失真，通常與傳輸延遲（propagation delay）相關。對一個既定的傳導介質，延遲與信號路徑的長度成正比。不同的信號路徑長度將會導致信號相位轉移，導致錯誤的測量結果。要減少相位失真，須確保信號路徑的長度相同。

（作者為美商吉時利Keithley首席應用工程師）