射频开关：SPDT、级联、树形和矩阵开关 （一）
一、射频和微波开关
鉴于通信行业的爆炸性增长，从射频集成电路（RFIC）和微波单片集成电路（MMIC）等有源元件到完整的通信系统的各种组件需要大量测试。虽然这些部件的测试要求和程序差别很大，但所有部件都是在非常高的频率下进行测试的，通常在吉赫兹范围内。测试系统的主要部件可能包括直流偏压、直流测量、射频功率计、网络分析仪、射频源和其他仪器。自动化测试过程和提高测试效率需要将射频/微波和低频开关系统集成到测试系统中。
射频（或微波）信号有不同于直流或低频交流信号的开关考虑因素，包括插入损耗、串扰、传输延迟和无端接的短截线。因此，射频信号的开关配置旨在将信号损耗降至最低，并通过系统保持特性阻抗。SPDT、级联、树或矩阵开关可用于微波信号路由。
二、微波开关类型
可用的微波开关配置包括一个简单的单刀双掷（SPDT）开关、多位置开关、级联和树开关、矩阵开关。
2.1 SPDT开关
SPDT开关有一个输入端口，可以连接到两个输出端口中的一个。多位置开关将一个输入端口连接到多个输出端口之一。pickering的SPDT射频开关最多可有17个通道，频率最高可达8GHz，阻抗为50 ohm和75 ohm。
2.2 级联开关
级联开关使用多个继电器将一个输入连接到多个输出之一。路径长度（因此，相位延迟）会有所不同，这取决于信号必须经过的继电器数量。
级联开关用于将一台仪器连接到具有最小阻抗不连续性的多个设备或测试点之一。这一点很重要，主要是在10MHz及更高的频率下防止不必要的信号反射。这种反射会在振幅测量中产生误差。如图1所示，任何一个继电器的启动都会断开所有其他设备与电源的连接。在本例中，如果通道1（通道1）被激活，则从源到设备2建立一个恒定的阻抗路径。所有其他设备都与此路径隔离。利用两个级联开关组，可以对每个被测设备进行源和测量连接。级联配置的优点是没有未端接短截线，并且配置易于扩展。级联配置的一个缺点是，信号可能通过多个开关触点传递到被测设备，导致信号损失更大。传播延迟随路径长度的增加而大。
图1. 级联开关配置
2.3 树开关
图2所示的树开关配置是级联配置的替代方案。与级联配置相比，树技术需要更多的继电器用于相同大小的系统，但是给定路径和任何未使用路径之间的隔离可能会更好一些。这将减少串扰和直流泄漏。树形开关配置也用于大于10MHz的频率。
树配置的优点包括没有未端接短截线，以及通道具有相似的特性。然而，给定路径中的多个继电器意味着会有更大的损耗。
图2. 多路复用（两层树开关）
例如pickering40-876-104 3GHz多路复用开关板卡、40-881A-002 8 GHz多路复用开关板卡均采用树形配置，阻抗为50 ohm和75 ohm。
2.4 矩阵开关
矩阵开关可以将任何输入连接到任何输出。微波开关中使用两种矩阵：阻塞矩阵和非阻塞矩阵。一个阻塞矩阵将任何一个输入连接到任何一个输出。其他输入和输出不能同时连接。非阻塞矩阵允许通过矩阵同时连接多条路径。级联开关是多位置开关的另一种形式。
对于矩阵，构建给定交换系统所需的射频继电器和电缆的数量（成本高）与系统输入和输出的数量相关。矩阵开关有三种基本类型：阻塞矩阵、非阻塞矩阵和完整或部分访问矩阵。
图3和图4都是4×4的开关矩阵。区别在于可以同时切换多少信号。图3的阻塞矩阵允许将单个输入连接到任何单个输出。因此，在任何给定时间只有一个信号路径是可用的。
图4中的非阻塞矩阵允许同时连接多个输入/输出信号路径，如果需要，可连接到矩阵输入的完整数量。随着继电器和电缆数量的增加，这种配置更加灵活和昂贵。
尽管可以关闭多条路径，但这仅适用于直流测试，例如，对多个DUT施加连续偏压。考虑阻抗要排除在射频和微波测试中关闭多条路径。
完整或部分访问矩阵，也称为完整或部分输出端数矩阵（图5），允许同时将输入连接到多个输出。这种矩阵需要在每个输入端都有一个功率分配器，在输出端需要一个多位置开关。
这些开关的优点包括没有未端接的短截线、可使用所有通道以及类似的路径特性。缺点包括需要广泛的布线和使用许多同轴继电器。
Pickering的40-884A-001 10 MHz - 8 GHz矩阵开关，是4 x 4通道，阻抗为50 ohm和75 ohm，可以使用任何矩阵开关位置。
图3. 单通道阻塞矩阵
图4. 非阻塞矩阵
图5. 完全访问矩阵
