一種8路射頻信號選擇開關電路的設計與實現

楊威++杜明玉

【摘 要】射頻開關是通信系統中一種重要的信號切換與通斷控制器件。設計了一種工作于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關電路，并描述了具體的系統工作原理和器件特性。根據插入損耗、駐波比、隔離度指標給出了詳細的實現策略并用矢量網絡分析儀進行性能測試，測試結果滿足指標要求。

【關鍵詞】選擇開關 插入損耗 駐波比 隔離度

中圖分類號：TN602 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-17-0089-04

1 引言

在通信系統中通常采用開關切換技術來實現信號的通斷與控制，射頻開關是一種工作在射頻頻段用于控制射頻信號大小及路徑的控制器件[1]。由于射頻開關具有結構簡單、成本低、功耗低、信號損耗低、高速切換等優點，使其廣泛應用在載波電話切換、有線電視信號切換、有線電視信號開關等領域。比如在射頻硬件系統備份時，一路通路壞掉可以通過射頻開關切換到備份通路上[2]。

本文采用3-8譯碼器，PIN二極管開關芯片以及8選1集成開關芯片設計了一款8端輸入單端輸出的選擇開關電路。

2 系統原理及構成概述

2.1 系統原理描述

本設計的開關電路工作在0.8GHz—2.5GHz頻段，工作電壓為+5V。共有8路射頻信號分別從8個輸入端口（J1～J8）輸入，最終由共用的輸出端口J0輸出經開關選擇后的某一通路信號，完成信號的8路通斷選擇功能。

該開關電路的選擇功能由3個數字控制位C1、C2、C3不同的高低電平的組合來完成，C1、C2、C3和模塊中的3-8譯碼器的3個地址輸入管腳連接，C1、C2、C3的不同電平組合使得譯碼器的8個輸出管腳中不同的某個管腳輸出高電平，其余管腳均為低電平。譯碼器的8個輸出管腳分別連接8個單端輸入單端輸出的開關芯片的控制電壓管腳，當控制電壓電平為高時，開關芯片工作（即導通），反之芯片不工作（不導通），這樣就實現了譯碼器對開關芯片通斷的控制，完成了8路的選擇功能。

由于是8路信號輸入單端輸出，因此模塊的輸出部分為一個8選1集成開關芯片，完成8路經由前級單端輸入單端輸出開關選擇的信號最終從共用端口J0輸出的功能。至此，整個電路功能實現。

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，該設計中采用+5V電源供電。MC74HC238A有3個地址輸入端A2、A1、A0，8個輸出端Y0～Y7，每個輸入地址高低電平的組合都只有一個輸出端輸出為高電平（約為4.6V），該高電平用以驅動相應的開關芯片PE4251，從而完成開關選擇功能。

（2）射頻開關芯片PE4251

開關芯片PE4251是Peregrine公司的一款低損耗、高隔離、快速轉換開關，開關轉換時間僅有150ns，芯片采用3.3V或5V供電，有2個開關控制引腳V1和V2，V1為高電平時開關導通，V1為低電平時開關斷開；V2是V1的補足管腳，與V1的電平正好相反，V2用來給輸出端口的芯片HMC253LC4供電。PE4251還有2個射頻輸入管腳RF1和RF2，文中只用到管腳RF1，而RF2通過電阻接地。

（3）8選1集成開關芯片HMC253LC4

HMC253LC4是Hittite的一款帶有3-8譯碼器功能的8路信號選擇開關集成芯片，該芯片插損低（工作頻帶內約為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個選擇控制引腳CTLC、CTLB、CTLA同3-8譯碼器MC74HC238A的3個控制引腳A2、A1、A0相接，保證前后選擇通路的一致性，實現整個電路模塊對某一路射頻信號的選擇功能。

（4）電源及控制接口

該電源和控制接口由一個DB-9P連接器實現開關電路的+5V電壓供電和控制信號C1、C2、C3的輸入。其中1、2、3號接口為控制信號C1、C2、C3接口，7號接口為+5V供電接口，9號接口為接地端口，4、5、6、8號接口為未使用接口，DB-9P連接器示意圖如圖2所示：

x

（5）底座及蓋板

在射頻電路的設計與實現過程中，僅有電路的設計是遠遠不夠的，空間信號的復雜性以及相互之間的串擾使得一個射頻電路如果沒有任何屏蔽裝置的保護與隔離，很可能會出現實際電路性能達不到預設的指標要求，導致開發的失敗[3]。因此本次開關電路的實現離不開結構件底座及蓋板的設計。

底座的主要作用是固定開關電路的PCB板，保護單板不受外力作用的損傷；同時底座還通過螺釘將輸入輸出端口的SMA射頻連接器固定在其結構件上，防止在接線時由于外力扭動造成輸入輸出端口焊盤脫焊損壞。

蓋板起到屏蔽外部信號和隔離內部電路干擾的作用，在各通路信號走線的上方留有溝槽，而沿著信號走線之間則被蓋板的凸起部分隔離開來，防止不同通路之間信號的泄露干擾，保證輸出信號的正確和電路性能指標的實現。

3 指標設計要求及實現

3.1 插入損耗

插入損耗反映電路接入后對信號的衰減程度，插入損耗應盡可能的小以降低給信號衰減帶來的功率損失。該開關插入損耗要求為≥-3dB。

插入損耗的預算主要取決于信號鏈路上的各個元器件的插入損耗的線性疊加。信號從開關芯片PE4251輸入，查找PE4251的數據手冊可知在0.8GHz—2.5GHz頻段內插損的最大值約為0.9dB，輸出端為8選1集成開關芯片HMC253LC4，其在工作頻帶內的插入損耗最差值約為1.6dB。因此理論上該開關電路的插入損耗值大約在-2.5dB，考慮到器件一致性問題和設計余量，將插損指標定在3dB是能夠實現的。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，過大的駐波會造成信號能量的損失和器件的損傷或損壞，本設計中的開關電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號輸入端口為開關芯片PE4251的RF1管腳，根據PE4251數據手冊中給出的對應工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據實際焊接的情況來看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點的平滑程度有關。焊錫量過少會導致接頭盒信號線接觸不充分，焊錫量過多會導致與信號線旁的地端距離過近，這些都會造成駐波不同程度的惡化；焊點如果不夠平滑，出現尖刺，同樣會使駐波惡化。基于這些不可控的人為焊接影響，可能出現特性的不一致性，因此指標留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數據手冊可知大概在1.43左右，考慮余量問題指標定為≤1.6是實際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號泄露或干擾的強弱程度，本設計中的開關電路輸入端口之間的隔離度指標要求為ISO≤-55dB。

實現隔離度指標主要靠蓋板中的隔離結構以及蓋板與電路盤的接觸緊密程度。隔離結構就是按照各通路信號的走向通過挖溝槽的措施起到信號各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調試過程中發現，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關系，二者之間很小的縫隙將導致隔離度的惡化，因此在設計蓋板的尺寸時要做到精細才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標的實現。

4 測試方法與測試結果

4.1 插損及駐波比測試

5 結束語

在無線通信系統信號切換或通斷的功能實現中，射頻開關電路發揮著至關重要的作用，其性能直接影響著信號通過的質量、信號切換的速度、所能容納的信號功率容量等。文中不僅給出了理論設計的指標規劃，同時還指出了在實際電路制作過程中該如何采取適當策略保證模塊的最終特性滿足指標要求。基于此，本文設計的開關電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號的切換選擇功能。

參考文獻：

[1] 嚴豐慶，錢澄. 射頻開關及其在通信系統中的應用[J]. 電子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪蓮，吳鳴鳴. 一種新型微波射頻開關（4×2）的設計與應用[J]. 國外電子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯射頻MEMS開關的工藝研究[J]. 真空科學與技術學報， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開關的硬件電路設計方法[J]. 浙江大學學報， 2011（2）.

[5] 張楠，馮宇波. PIN二極管在射頻開關電路中的工作原理及應用[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，過大的駐波會造成信號能量的損失和器件的損傷或損壞，本設計中的開關電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號輸入端口為開關芯片PE4251的RF1管腳，根據PE4251數據手冊中給出的對應工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據實際焊接的情況來看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點的平滑程度有關。焊錫量過少會導致接頭盒信號線接觸不充分，焊錫量過多會導致與信號線旁的地端距離過近，這些都會造成駐波不同程度的惡化；焊點如果不夠平滑，出現尖刺，同樣會使駐波惡化。基于這些不可控的人為焊接影響，可能出現特性的不一致性，因此指標留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數據手冊可知大概在1.43左右，考慮余量問題指標定為≤1.6是實際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號泄露或干擾的強弱程度，本設計中的開關電路輸入端口之間的隔離度指標要求為ISO≤-55dB。

實現隔離度指標主要靠蓋板中的隔離結構以及蓋板與電路盤的接觸緊密程度。隔離結構就是按照各通路信號的走向通過挖溝槽的措施起到信號各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調試過程中發現，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關系，二者之間很小的縫隙將導致隔離度的惡化，因此在設計蓋板的尺寸時要做到精細才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標的實現。

4 測試方法與測試結果

4.1 插損及駐波比測試

5 結束語

在無線通信系統信號切換或通斷的功能實現中，射頻開關電路發揮著至關重要的作用，其性能直接影響著信號通過的質量、信號切換的速度、所能容納的信號功率容量等。文中不僅給出了理論設計的指標規劃，同時還指出了在實際電路制作過程中該如何采取適當策略保證模塊的最終特性滿足指標要求。基于此，本文設計的開關電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號的切換選擇功能。

參考文獻：

[1] 嚴豐慶，錢澄. 射頻開關及其在通信系統中的應用[J]. 電子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪蓮，吳鳴鳴. 一種新型微波射頻開關（4×2）的設計與應用[J]. 國外電子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯射頻MEMS開關的工藝研究[J]. 真空科學與技術學報， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開關的硬件電路設計方法[J]. 浙江大學學報， 2011（2）.

[5] 張楠，馮宇波. PIN二極管在射頻開關電路中的工作原理及應用[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，過大的駐波會造成信號能量的損失和器件的損傷或損壞，本設計中的開關電路輸入端口駐波≤1.4，輸出端口駐波≤1.6。

信號輸入端口為開關芯片PE4251的RF1管腳，根據PE4251數據手冊中給出的對應工作頻段的回波損耗最差值（-20dB），即駐波比約為1.2。根據實際焊接的情況來看，駐波比的大小還跟焊接用的焊錫量和焊點的平滑程度有關。焊錫量過少會導致接頭盒信號線接觸不充分，焊錫量過多會導致與信號線旁的地端距離過近，這些都會造成駐波不同程度的惡化；焊點如果不夠平滑，出現尖刺，同樣會使駐波惡化。基于這些不可控的人為焊接影響，可能出現特性的不一致性，因此指標留出一定的余量。

輸出端口駐波理論值查詢HMC253LC4數據手冊可知大概在1.43左右，考慮余量問題指標定為≤1.6是實際可行的。

3.3 端口隔離度

端口隔離度主要反映端口之間信號泄露或干擾的強弱程度，本設計中的開關電路輸入端口之間的隔離度指標要求為ISO≤-55dB。

實現隔離度指標主要靠蓋板中的隔離結構以及蓋板與電路盤的接觸緊密程度。隔離結構就是按照各通路信號的走向通過挖溝槽的措施起到信號各自傳輸而相互之間被蓋板隔離墻隔離的作用[4]。在調試過程中發現，隔離度的大小與蓋板是否和電路板緊密接觸有很大的關系，二者之間很小的縫隙將導致隔離度的惡化，因此在設計蓋板的尺寸時要做到精細才能保證緊密接觸，從而保證端口之間隔離度指標的實現。

4 測試方法與測試結果

4.1 插損及駐波比測試

5 結束語

在無線通信系統信號切換或通斷的功能實現中，射頻開關電路發揮著至關重要的作用，其性能直接影響著信號通過的質量、信號切換的速度、所能容納的信號功率容量等。文中不僅給出了理論設計的指標規劃，同時還指出了在實際電路制作過程中該如何采取適當策略保證模塊的最終特性滿足指標要求。基于此，本文設計的開關電路插損低、駐波較小、端口隔離性能好，能夠較好的完成8路信號的切換選擇功能。

參考文獻：

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[3] 于映，羅仲梓，翁心橋. 接觸式串聯射頻MEMS開關的工藝研究[J]. 真空科學與技術學報， 2004，24（4）.

[4] 陳宏. 射頻同步開關的硬件電路設計方法[J]. 浙江大學學報， 2011（2）.

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