射频和微波开关测试系统基础 (1)
射频(rf)器件基础知识培训概要
特征阻抗
• 特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解 为传输线上入射电压波与入射电流波之比。 • 对于TEM波传输线，特征阻抗又等于单位长度 分布电抗与导纳之比。无耗传输线的特征阻抗 为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。
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射频器件基础知识
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射频器件基础知识
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端口阻抗
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射频器件基础知识
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线性与非线性
• 线性失真：信号波形的等比例的放大、 缩小、相位移动等变化 • 非线性失真：信号波形的不等比例的放 大、缩小、相位移动等变化
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非线性失真的主要指标
• 非线性失真的主要指标
• IMD3 • IP3 • P1dB
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射频电路基础 ——功率
• 射频信号的功率常用dBm、dBW表示， 它与mW、W的换算关系如下：
• 例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大 1000 x 小为：
p ( dBm) 10 log 1
• 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。
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射频器件基础知识
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射频大功率放大器 ——内部结构
单片集成
混合集成
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射频大功率放大器(LDMOS) ——工作原理
• LDMOS剖面结构
• LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，横向双扩散晶体管 • LDMOS是为射频功率放大器设计的改进的n沟道增 强型MOSFET。
射频与微波基础知识
¾ 回波损耗(Return Loss) ：传输线上任一点入射功率和反射功率之比
RL( dB
)
= 10 lg⎜⎜⎝⎛
Pi Po
⎟⎟⎠⎞
=
10
lg
⎜⎛ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ⎜
⎝
1 Γ2
⎟⎞ ⎟ ⎠
=
−20 lg
Γ
第二章
Z. Q. LI
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传输线阻抗变换
¾ 基本原理－传输线对阻抗的改变
第二章
Z. Q. LI
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传输线阻抗变换
= − d V(x) dx
) = − d I( x ) dx
⎧ ⎪⎪ ⎨ ⎪ ⎪⎩
jωLI( x ) jωCV ( x
= +
− V ( x + Δx ) −V ( x ) Δx
Δx ) = − I( x + Δx ) − Δx
I(
x
)
⎧ ⎪⎪ ⎨ ⎪ ⎪⎩
d2 dx2 d2 dx2
V (x) + I(x) +
传输线无损耗 γ = α + jβ = jβ
(( )) (( )) Z(d) =
Zin (− d ) =
Z0
1 + ΓLe−2γd 1 − ΓLe−2γd
= Z0
1 + ΓLe−2 jβd 1 − ΓLe−2 jβd
=
Z0
(Z L (Z0
+ +
jZ 0 jZ L
tan tan
βd βd
) )
¾ (电压)驻波比
I ( x)
R1
L1
I (x + Δx)
V (x) R2
x
射频微波电路导论 课件(西电版)第1章
射频电路布线与PCB制作
高功率发射电路远离低功率接收电路 〃保证充足的物理空间 〃布置在PCB板的两面 〃加金属屏蔽罩
射频电路布线与PCB制作
布线时作为常规应考虑以下基本原则 1、射频器件管脚间引线越短越好 2、可靠的接地是器件稳定工作的保证 3、射频信号间避免近距离平行走线，射频 输出远离射输入 4、保证印制板导线最小宽度 因设计条件的制约无法实施常规准则时，必须学会 进折中处理
ΓOUT = S’22
ΓL
' S22 S22
RL
放大器电路方块图
S12 S21S 1 S11S
小信号放大器设计步骤
小信号放大器设计步骤
1.根据指标选择适当晶体管 2.设计直流偏置电路 3.测量晶体管的S参数 3.判断稳定性 4.根据单向化系数确定单、双向化设计 5.设计输入输出匹配网络 ①最大增益设计 ②等增益设计 ③最佳噪声设计
两大步骤：布局、布线
布局 布局是设计中一个重要的环节，合理的布局是 PCB设计成功的第一步，是实现一个优秀RF设 计的关键。 布局规则 1、设置去耦电容 2、确保射频信号路径最短 3、高功率发射电路远离低功率接收电路
射频电路布线与PCB制作
电源设置去耦电容
射频电路布线
与PCB制作
确定射频信号最短路径
射频模块
项次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 OPEN/SHORT/THRU п 型 T 型阻抗匹配器 电阻式功率分配器 威尔金森微带功率分配器 п 型 T 型衰减器 L－C 定向耦合器 微带线定向耦合器 滤波器 放大器 振荡器 压控振荡器 变频器，倍频器 混频器 微波控制电路 天线 模块
平行线定向耦合器的应用
射频微波基础知识
射频微波基础知识射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。
每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。
有线电视系统就是采用射频传输方式的。
在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写：RF一、射频和微波技术基础知识1、什么是射频?射频(RF)是指无线通信系统中使用的电磁频率范围。
它涵盖了广泛的频率范围，通常从3kHz(千赫)到300GHz(千兆赫)。
射频信号的特点是能够长距离传播并穿过障碍物，这使其成为各种通信应用的理想选择。
2、微波频率微波是射频频率的一个子集，频率范围为300MHz(兆赫)到300GHz。
虽然微波仍然是像射频一样的电磁波，但它们具有更短的波长，这在特定应用中提供了某些优势，例如高数据传输速率和精确成像能力。
二、射频和微波技术的应用1、无线通信射频和微波技术最突出的应用之一是在无线通信系统中。
从简单的无线电传输到复杂的蜂窝网络，射频技术使移动设备上的语音通话、短信、互联网浏览和视频流成为可能。
此外，Wi-Fi网络、蓝牙连接和其他无线协议依赖RF信号进行无缝数据交换。
2、卫星通信卫星通信严重依赖微波频率。
地球静止轨道或近地轨道卫星利用微波远距离传输电视信号、互联网数据和电话，确保在传统通信基础设施有限，或无法使用的偏远地区实现全球连接。
3、雷达系统微波雷达系统对各种应用至关重要，包括空中交通管制、天气监测和军事防御。
雷达使用微波脉冲来探测物体的存在、距离和速度，从而进行精确的跟踪和分析。
4、医疗应用射频和微波技术在医学领域有着重要的应用，例如磁共振成像(MRI)和微波消融。
射频微波开关基础知识
射频开关基础我们知道开关的种类有很多，而射频微波开关最突出的特点就是做高频信号的传输路径切换，以满足测试系统的信号传输要求。
从工作原理上分类，射频微波开关有机电开关和固态开关，机电开关是依靠机械接触作为其机械机构，而固态开关则有两大类，即FET和PIN二极管，FET开关是创造一个通道（损耗层），让电流从FET的漏极流向源极而形成开关状态。
PIN二极管则是由高掺杂的正极性（P）和负极性（N）电荷材料之间夹成的高阻性介质层（I）组成的开关状态。
还有一种由FET和PIN组成的叫做混合开关，也有广泛的应用。
而从用途上分，则包含了SPDT、多路开关、旁路开关、转换开关、矩阵开关等。
从连接器的种类分（或频率），则有同轴和波导之分。
开关的主要规格主要有：频率范围、输入功率、插入损耗、隔离、SWR、重复能力、寿命。
机电开关有如下的特点，从而获得了广泛的应用：1）频率范围高，机电开关的主要优点之一是传输信号可一直低到直流。
上限频率则由同轴结构和连接器决定。
开关切换功率的能力在很大程度上决定于开关中信号承载元件的使用材料和开关的设计。
应考虑两种切换条件:“热”切换和“冷”切换。
2）机电开关的插入损耗是很低的，从低频时的0.1 dB 到高频时的1.5 dB。
这明显优于固态开关的0.5 dB 至6 dB。
影响损耗的因素有路径长度、信号承载表面使用的材料、触点的磨损、侵蚀及其它污染。
3）开关的高隔离都是非常重要的，因为它能防止无用信号对所要信号的干扰。
隔离是在感兴趣端口检测前经衰减无用信号的大小。
4）开关驻波比(SWR) 规定了连接器和开关信号路径对于理想50 Ω传输线匹配的良好程度。
在信号路由配置包括会增加测量不确定度的多个串联元件时，低SWR是测试装置设计的关键。
5）重复性是指开关的技术指标经长期反复使用之后变化的度量。
开关作为系统部件使用时，其重复性对系统总测量精度至关重要。
可定义开关任何指标的重复性，包括插入损耗、反射、隔离和相位。
射频开关基础知识详细讲解
射频开关基础知识详细讲解射频和微波开关可在传输路径内高效发送信号。
此类开关的功能可由四个基本电气参数加以表征。
虽然多个参数与射频和微波开关的性能相关，然而以下四个由于其相互间较强的相关性而被视为至关重要的参数：隔离度，插入损耗，开关时间，功率处理能力。
隔离度即电路输入端和输出端之间的衰减度，是衡量开关截止有效性的指标。
插入损耗（也称传输损耗）为开关处于导通状态下时损耗的总功率。
由于插入损耗可直接导致系统噪声系数的增大，因此对于设计者而言，插入损耗是最为关键的参数。
开关时间是指开关从“导通”状态转变为“截止”状态以及从“截止”状态转变为“导通”状态所需要的时间。
该时间上可达高功率开关的数微秒级，下可至低功率高速开关的数纳秒级。
开关时间的最常见定义为自输入控制电压达到其50%至最终射频输出功率达到其90%所需的时间。
此外，功率处理能力定义为开关在不发生任何永久性电气性能劣化的前提下所能承受的最大射频输入功率。
图示为使用12个不同SMA母同轴连接器的单刀十二掷机电式开关一例射频和微波开关可分为机电式继电器开关以及固态开关两大类。
这些开关可设计为多种不同构型——从单刀单掷到可将单个输入转换成16种不同输出状态的单刀十六掷，或更多掷的构型。
切换开关为一种双刀双掷构型的开关。
此类开关具有四个端口以及两种可能的开关状态，从而可将负载在两个源之间切换。
机电式继电器开关的插入损耗较低（《0.1dB），隔离度较高（》85dB），且可以毫秒级的速度切换信号。
此类开关的主要优点在于，其可在直流~毫米波（》50 GHz）频率范围内工作，而且对静电放电不敏感。
此外，机电式继电器开关可处理较高的功率水平（达数千瓦的峰值功率）且不发生视频泄漏。
然而，在机电式射频开关的操作中，有一些问题值得我们注意。
此类开关的标准使用寿命大约只有100万次，而且其组件对振动较为敏感。
使用寿命是指机电式开关在满足射频及重复性要求的情况下所能完成的总开关次数。
实验一 微波测量基础知识
实验一微波测量基础知识1. 实验目的1）了解和掌握信号发生器使用及校准2）了解微波测量系统的基本组成和工作原理3）掌握常用微波测量系统各器件的调整和使用方法4）频率计（波长表）校准5）了解和掌握测量线使用方法2. 实验原理1）微波信号源图1是微波信号源的基本框图。
通常由微波信号源、微波测量装置和指示器三部分组成。
图1 微波信号源的基本组成它负责提供一定频率和功率的微波信号。
同低频信号源一样，其信号可以是连续波也可以是调制波，工作方式有点频、扫频两种状态工作。
微波信号源被广泛应用的类型主要有以下两种：（1）标准信号发生器标准信号发生器其输出信号的频率、功率和调制系数可在一定范围内调节（有时调制系数可以固定不变），并能准确读数且屏蔽良好。
它能做到输出微波信号准确已知，并能精细调节，特别是能将信号功率连续衰减到毫瓦、微瓦级电平，根据不同用途可具有不同的调制方式。
（2）扫频信号发生器扫频信号发生器是能产生扫频信号的微波信号源，它能从所需频率范围的一端连续地“扫变”到另一端，所以能直接得到各个频率上的测量结果，在示波器或者记录仪上立即显示出所需要的频率特性曲线。
2）微波测量装置微波测量装置如图2所示。
主要包括驻波测量线、调配元件、待测元件和辅助元件（如短路器、衰减器、匹配负载、移相器等）图2 微波测试系统基本框图3）指示器部分指示器是用于显示测量信号特性的仪表，如直流电流表、测量放大器、功率计、示波器、数字频率计、频率计（波长表）等。
3. 实验内容及步骤1）了解微波信号源工作原理，掌握它的使用方法。
2）认识常用微波元件的形状和结构，了解其作用、主要性能及使用方法。
3）按照图3 所示连接系统，用数字频率计对波长表（或称频率计）读数进行校准：图3 波长计校准系统装置图（数字频率计是否使用与所用功率源有关）①将可变衰减器调至最大衰减量，以防止晶体检波器损坏；②按照信号源的操作步骤接通电源；③预热15 以上分钟；④掌握直读频率计（波长表）的使用方法。
射频与微波开关系统的设计与应用
电子技术• Electronic Technology78 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】开关系统 测试系统 射频信号 微波信号在绝大多数的自动化测试系统中，射频与微波测试的应用都十分常见，不管是对民用设施，还是在军用装备进行功能测试的系统中，开关系统都是非常重要和关键的部分，如果开关系统具有合理可靠的布局，相对稳定的性能，操作起来较为方便简洁，那么就可以有效提高设备的应用效率的同时，进一步拓展系统的规模。
1 开关系统的作用分析1.1 利用开关系统进行射频信号切换在测试系统中，射频开关的主要作用就是切换信号，通过在测试点和测试仪器之间建立信号路径进而完成相应的测试。
固态射频开关、舌簧射频继电器以及电磁式微波开关都属于开关系统的基本器件。
只有性能良好的开关器件，才能更好的平衡测试系统的多方性能需求。
1.2 保护信号源，降低电磁干扰控制射频信号传播路径上的特征抗组必须一致，尤其注意严格禁止发生sons 向高阻抗进行传播的情况。
一旦出现该情况，信号路径就会产生强度较大的驻波，甚至可能会导致仪器设备的破坏。
在信号路径上，通过开关接入可以和阻抗相互匹配并且能更好的吸收信号的端接器，进一步保证和提高系统的安全性。
1.3 提高信号品质在测试系统中，尤其是应用了舌簧继电器的产品，射频开关子系统的规模扩展到一定程度，需要通过外部电缆将多个开关设备连接起来，在这个过程中，当位于各模块公共端的开关可以有效缩短电缆接入的长度，对于提高系统带宽具有积极的作用。
1.4 可扩展的微波开关矩阵分析射频与微波开关系统的设计与应用文/杜顺勇 宋阳在一个微波测试系统中，如果存在多个测试对象，那么开关矩阵结构的存在就可以明显提高系统的灵活性。
2 射频与微波开关系统设计技术特点无线通信技术愈发广泛被应用到军事和民用领域中，使得与其对应的测量技术和工具也得到进一步的发展。
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射频和微波开关测试系统基础
绪论
无线通信产业的巨大成长意味着对于无线设备的元器件和组件的测试迎来了大爆发，包括对组成通信系统的各种RF IC 和微波单片集成电路的测试。
这些测试通常需要很高的频率，普遍都在GHz范围。
本文讨论了射频和微波开关测试系统中的关键问题，包括不同的开关种类，RF开关卡规格，和有助于测试工程师提高测试吞吐量并降低测试成本的RF开关设计中需要考虑的问题。
射频开关和低频开关的区别
将一个信号从一个频点转换到另一个频点看起来挺容易的，但要达成极低的信号损耗该如何实现呢？设计低频和直流(DC)信号的开关系统都需要考虑它们特有的参数，包括接触电位、建立时间、偏置电流和隔离特性等。
高频信号，与低频信号类似，需要考虑其特有的参数，它们会影响开关过程中的信号性能，这些参数包括VSWR（电压驻波比）、插入损耗、带宽和通道隔离等等。
另外，硬件因素，比如端接、连接器类型、继电器类型，也会极大的影响这些参数。
开关种类和构造
继电器内的容性是限制开关的信号频率的常见因素。
继电器的材料和物理特性决定了其构成的内部电容。
比如，在超过40GHz的射频和微波开关中，在机电继电器中采用了特殊的接触架构来获得更好的性能。
图1显示了一个典型的构造，共同端接位于两个开关端接之间。
所有信号的连接线路都是同轴线，来保证最佳的信号完整性（SI）。
在这种情况下，连接器是SMA母头。
对于更加复杂的开关结构，共同端接被各个开关端接以放射状围绕。
一系列复杂的开关拓扑在RF开关中得以采用。
矩阵式开关可以实现每个输入与每个输出的连接。
有两种类型的矩阵在微波开关架构中得以采用——blocking和non-blocking架构。
一个blocking矩阵可将任意一个输入和任意一个输出进行连接，因此其他的输入和输出就不能同时连接。
这对只需在一个时刻切换到一个信号频率的应用是一个有效的低成本方案，信号完整性也更好，因为有更少的继电器路径，特别是避免了相位延迟的问题。
而
non-blocking矩阵允许多个路径的同时连接，这种架构具有更多的继电器和线缆，因此灵活性更强，不过价格也更高。
层叠开关架构是多位置开关的一种替代形式。
它采用多个继电器将一个输入连接到多个输出。
路径长度（同时决定了相位延迟）是由信号经过的继电器的数量决定的。
树形架构是层叠开关架构的一种替代。
相比层叠架构，对于同等规格的系统，树形技术需要更多的继电器，然而，选定的路经和其他不用的路经之间的隔离会更好，这样降低了继电器和通道之间的crosstalk。
树形架构具备一些优势，包括无端接残余（unterminated stubs），各个通道特性也会相似。
然而，在选定路经上具有多个继电器意味着损耗会更大，信号完整性也令人堪忧。
RF开关卡架构
在测试仪器主机上的RF开关卡应用中，为保证信号完整性，需要理解许多电性能指标。
•Crosstalk是指不同通道上传送的信号之间或通道上信号与输出信号之间产生的电容耦合、电感耦合或电磁辐射。
一般用特定负载阻抗和特定频率下的分贝
数来描述。
•插入损耗是信号在开关卡或系统中传输时的衰减，用特定频率范围的分贝数来表示。
当信号低或者噪声大的时候，插入损耗是相当重要的技术指标。
•电压驻波比（VSWR）是对信号在传送线路上反射的测量，定义为信号路经上驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比。
•信号进行开关、传输或者放大处理的一个有限的频率范围被称作带宽。
对于给定的负载条件，带宽范围用-3dB（半功率）点定义。
•隔离是邻近通道的电压比例，定义为一个频率范围上的分贝数。
RF开关设计
要设计一个RF开关系统，需要额外考虑一系列关键因素。
阻抗匹配——假设开关置于测量仪器和DUT（待测设备）之间，对于几个系统中的所有的阻抗必须匹配。
对于最佳的信号传输，源的输出阻抗应等于开关的特征阻抗、线缆阻抗和DUT的阻抗。
在RF测试中，普遍的阻抗级是50或75欧姆。
不论要求什么样的阻抗级，适当的阻抗匹配将会保证整个系统完整性。
输入VSWR和信号路经VSWR决定了测量的精确程度。
Mismatch Uncertainty(dB) = 20 x log(1 +/- Γsig path * Γinst)
Where Γ = VSWR-1/VSWR +1
如果信号路经输出和仪器输入具有很好的VSWR，比如1.3：1，失配不确定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。
终止——在高频率情况下，所有信号必须被适当终止，否则电磁波会在端接点上被反射，导致VSWR的增加。
一个没有终接的开关在断开状态会增加VSWR，一个开关一般需要提供50欧姆的端接电阻来匹配连通或断开状态。
VSWR增加后，如果反射部分足够大，甚至有可能损坏源端。
功率传输——另一个重要的考虑是系统从仪器至DUT传送RF功率的能力。
由于插入损耗，信号可能需要放大。
一些应用场合，又可能需要减少信号至DUT上的功率。
使用放大器或衰减器可保证将精确的信号功率值传送至开关系统。
信号滤波器——信号滤波器在一些情况下是很有用的，比如噪声不小心加入到通过开关传送的信号中的时候。
如果原始信号频率不适合DUT测试频率，滤波器也很有用。
在这种情况下，滤波器可被加到开关中以改变信号带宽或者滤除不需要的信号频率。
相位失真——随着测试系统尺寸的扩大，从相同的信号源出来的信号可能会通过不同的途径传送至DUT，导致了相位失真。
这个指标通常被称之为传输延迟。
对一个给定的传导介质，延迟是与信号路径长度成正比的。
不同的信号路径长度将会导致信号相位移动，导致错误的测量结果。
要减少相位失真，要保证信号路经长度的相同。
总结
讨论并理解RF/微波开关系统购建中的各种设计参数有利于保证信号和系统的完整性。