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高頻繼電器RF在頻率與時域的測試方法

2017-08-10

     以下我們來介紹下在測試任何響應頻率超過100MHz的組件時,一個良好的網絡分析器和實際的測試操作都是非常重要的。這一點在時域測試中也一樣。在時域內,當測量上升時間的特性時,要非常注意上升時間的過飽和和欠飽和,以確保測量方法的可靠性,因為這些可以對實際測試系統的組件功能產生影響,所以必須仔細確定這些現象是器件本身的特性,還是與使用的夾具有關。

檢測重點

為了能更好的了解繼電器的特性,我們將工裝夾具設計為卡板模式。所有繼電器的測試夾具都通過使用SMA連接器與網絡分析儀進行通信,以下是測試板卡的構成:
-終端開路的50歐姆導體校驗適配器
-終端短路的50歐姆導體校驗適配器
- 50歐姆接入電阻的50歐姆導體校驗適配器
- 50歐姆通路電阻的校驗適配器

              


插入損耗
如之前解釋的一樣插入損耗是由繼電器而產生的功率損耗,在RF 應用中它是一種測量原件(如干簧繼電器)造成的損耗簡單而重要的測量方法,減低這種損耗非常關鍵。
首先,可以明顯地看到插入損耗在7GHz前表現都是十分良好的,如圖所示:

                   

插入損耗曲線圖一直都非常平坦,但在7GHz時會突然加大。這里提到的信號無論是數字的還是模擬的,都能非常順利通過CRF 陶瓷繼電器。當使用半導體作為切換原件時有時會產生模塊間的干擾,從而導致頻率響應失真。但對于一個無源原件如干簧繼電器而言它就不存模塊間干擾的問題,所以在7GHz之前它的插入耗損也非常平穩。這樣穩定的插入損耗容許用戶轉換,傳輸或處理多種不同的頻率或不同脈沖寬度信號,這樣就避免了要使用不同開關去處理不同的信號。

伴隨著信號頻率的越來越高曾有人質疑干簧繼電器因為使用鎳/鐵合金作為中心傳導體所以性能表現可能不佳主要原因是因為懷疑它的肌膚效應,因為鎳和鐵都是導磁體有很高的導磁率μ。參考一下圖的情況:


干簧開關的簧片已被一條純銅線所代替比較圖#19和#20兩圖的區別非常小或幾乎一致。當然在傳輸大功率信號時還是有些細微差別的。但我們的許多應用的情況下信號功率都是非常低的因此我們在7GHz之前所存在的差異是可以忽略不計的。

VSWR
VSWR表示了高頻傳輸線路上的駐波傳輸效應在傳輸線路上,駐波通常表現為部分能量被反射回源頭,接著又再次由源頭反射回來,這種來回的反射就形成了駐波。這些駐波妨礙了源信號的傳送,因為駐波在不斷地吸收功率。下圖展示:

干簧繼電器的VSWR情況。這個參數對于高頻模擬信號的波形分析十分重要對于其他信號插入損耗則更為重要。
絕緣
絕緣是指一個原件在電路中隔絕其他信號進一步傳輸的能力。對于一個干簧繼電器來說絕緣是指當它在打開狀態時阻止信號傳輸的能力。我們都認為一個開關在打開狀態下是無任何信號通過的然而在射頻領域中事實并非如此因為當頻率足夠高時簧片間的電容會造成漏電路徑。在下圖中:

可以看到絕緣在低頻時約為-50dB,而在3GHz下跌到-15dB,而在7GHz時保持在-10dB的水平上。這種絕緣特性是由簧片間空隙距離決定的。要增加這個間隙是非常困難的,因為這就要求使用更大的玻璃管從而產品的尺寸。而且,空隙增大會令開關敏感度降低從而需要更大的線圈功率。如果在某些應用中絕緣是很重要的參數,同時使用多個干簧繼電器將會有所幫助比如使用’T’型結構或半’T’型結構會幫助獲得更高的絕緣。
回波損耗
回波損耗也屬于RF參數但不如插入損耗或絕緣的運用頻繁。它測量的是RF信號反射回信號源的功率。在下圖:

可以看到,這回波損耗在低頻時只有35dB在6.5GHz時大約為10dB。這里dB值越高,被反射的信號百分比則越低。
特性阻抗
為了獲取盡可能多的繼電器特性抗阻信息需要對信號經過繼電器的多個點進行測量。由于屬于空間測量實際上繼電器各點的實際抗阻值都可以被測量到。以下幾個測量點在下圖中已經有所顯示:


1 - 繼電器輸入端短路
2 - 打開狀態路經只到觸點的中心
3 – 閉合狀態路經只到繼電器的終點
4 – 閉合狀態并且繼電器被短路
5 – 閉合狀態特性阻抗為50歐姆
通過將繼電器這5條軌跡線添加到原始圖表中,就可以從繼電器的各個節點上看到一副完整的特性抯抗圖,這對于特性抗阻稍微低于50歐姆的繼電器或原件來說十分有價值。如上圖顯示,該繼電器抗阻微高于50歐姆,軌跡線略高表示一個輕微感性通道的存在該通道可允許信號通過該繼電器,在該繼電器的末部補償少量電容可微調抯抗到需要的水平,這會改善繼電器在該電路上的性能,并提升它在高頻時的表現。

Smith圖表
如果您需要觀察不同的RF頻率或者一個特定頻率,Smith圖表可以呈現在一定頻率范圍內的特性抗阻的變化情況。Smith圖會以50KHz為單位一直描繪到4GHz的頻率反應情況。圖#25中繪制出的點是以純實部50歐姆為圓心分布的。為了更清楚理解Smith圖表,由右邊起點延伸過來的圓實際上就是50歐姆的阻抗圓,圓的水平中心線是實軸,位于這條中線之上呈現感性,而位于中線之下則呈現為容性。如圖所示,CRF繼電器的測量結果都位于50歐姆附近。
最后可以看到CRF干簧繼電器在切換和傳輸7GHz以內的RF信號時表現非常優越。我們目前正在努力改善并使其達到10GHz以上,我們也正嘗試不斷開發新的RF繼電器。由于對處理速度的要求越來越高,對于這些高頻電路上的原件的要求也不斷增加,我們也必須不斷改進現有的干簧繼電器。

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