一種基于PXI總線的射頻開關模塊設計

曹寧，劉軍智

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島，266555）

0 引言

為適應電子設備性能越來越高、規模越來越大、組成越來越復雜的技術發展趨勢，電子設備研制生產廠家急需研制通用性高、靈活性強、可擴展性強的自動測試系統，解決電子設備技術保障中的測試問題。基于PXI總線的自動測試系統以其體積小、通用性高、可擴展性強、易維護以及方便升級等技術特點，得到了軍用電子裝備研制生產廠家的青睞，在軍工生產測試領域得到快速推廣和應用。PXI射頻開關模塊，是自動測試系統中對射頻信號進行路由、切換的重要功能模塊，是自動測試系統能否實現通用、可擴展、自動化、高效率的關鍵。

本文提出了一種3U單槽小型化PXI射頻開關模塊的設計方案，通過繼電器組合搭建開關通道的形式，采用印制板傳輸線替代電纜傳輸信號的方式，配合PXI總線接口控制電路及驅動電路，實現開關通道間的路由和切換，進一步改善射頻開關模塊的射頻特性指標。

1 PXI射頻開關模塊總體方案

PXI射頻開關模塊主要由PXI總線接口、FPGA邏輯控制電路、驅動電路、射頻開關電路、電源電路等部分組成，總體方案框圖如圖1所示。其中PXI總線接口實現協議轉化。FPGA邏輯控制部分實現繼電器開關邏輯狀態的控制。驅動電路主要實現對開關切換的所需驅動電平的設置，射頻開關電路主要實現多組1選4射頻開關通道的設計。

PXI射頻開關模塊的工作流程如下：首先根據測試的要求確定開關的導通路徑，根據這個導通路徑軟件進行相應的控制設置，控制指令通過PXI接口送到模塊中，在模塊中經過數據鎖存、驅動電路后進行射頻開關的驅動，完成開關的切換通道的設定工作。

圖1 PXI射頻開關模塊總體方案

2 關鍵電路設計與實現

2.1 接口及驅動電路設計

接口單元負責本地電路與總線之間的通信，本模塊的接口電路采用接口芯片+FPGA的方案，該方案成熟穩定，數據速率滿足開關模塊通道切換時間的要求。接口芯片選擇PLX公司的PCI9054芯片，PCI9054是符合PCI V2.2規范的32位33MHz從者芯片， PCI猝發傳輸速度達132MB/s，支持本地總線多路復用和非多路復用32 位地址/數據協議，本地時鐘最高可達66MHz。

接口芯片接收到PXI總線的數據后，將復雜的總線數據傳輸邏輯轉化為較為簡單的本地控制邏輯，使總線接口的設計重點轉移到FPGA對接口芯片的工作模式和參數的配置。

2.2 驅動電路設計

目前主流的FPGA芯片為了實現低功耗的要求，一般可編程I/O的電壓范圍只有3.3V±10%，而本模塊選用的射頻繼電器理想工作電壓為5V。因此需要有外部的電平轉換芯片，將FPGA輸出的信號電平，轉換到繼電器適合的電平范圍，驅動繼電器正常工作。本模塊需要驅動16個繼電器，這就需要驅動芯片至少16個輸入/輸出管腳，根據以上實際的需求，選擇了Philips公司74ALVC164245作為射頻開關控制電路的電平轉換和驅動芯片。該芯片具有16—bit雙向電平轉換功能，兼容CMOS和TTL電平，支持獨立的輸入輸出，同時還兼有電平轉換以及電流驅動的作用。

2.3 繼電器元件選擇

繼電器芯片的選擇是開關模塊硬件設計的重要環節，繼電器的性能指標直接影響開關模塊的性能指標。由于雙印制板疊層后仍需滿足單槽的尺寸要求，且模塊要實現在駐波比和插入損耗指標上的大幅提升，這使得繼電器的尺寸、駐波比和插入損耗指標是繼電器的主要考察指標，另外開關使用壽命、切換速度等也需要考慮在內。本方案選定世界頂級繼電器品牌Tyco公司旗下的HF353射頻信號繼電器。該繼電器工作在頻段DC～3GHz時有良好的表現，歐翼貼裝，比其他封裝更適合印制板信號傳輸方式，尺寸小巧，符合結構要求，器件信號管腳較為分散，便于布線。

2.4 射頻開關電路設計

本模塊需要在3U單槽空間內實現四組一選四射頻開關陣列的設計，傳統方案采取單電路板設計，要將大量繼電器擺放在電路板的繼電器陣列區域，單塊電路板空間有限，除去開關控制電路，能用來設計開關陣列電路的空間非常小，最后造成開關電路部分走線非常密集，繼電器的輸出只能通過電纜連接到面板上的接頭，電纜受力、焊接工藝、以及密集的布局都會影響信號的傳輸，導致最終成品的指標存在很多不確定因素，會經常出現若干通道指標無法滿足設計要求的情況。

本方案在保證單槽小型化的同時，把開關陣列單元拆分成兩塊獨立的完全相同的小開關板，合理的設計繼電器的布局，使得兩塊開關板相扣疊層時，繼電器能在單槽的空間內錯開，這樣既減小了整機空間，還降低了單塊開關板的布局密集程度，每塊印制板上節省出的空間可以用來走較長的信號線。這種設計方式使該模塊具有更出色的插入損耗和電壓駐波比，將射頻信號路由至測量設備時可實現更佳的射頻信號完整性以及出色的動態范圍，優化設計的路徑能確保可重復的射頻性能。

開關板與控制板之間通過扁平電纜連接，每塊開關板接收8路控制信號，分別控制八個繼電器（兩組1選4開關）在NO和NC輸出之間切換，每4個繼電器可級聯擴展為一組1選4開關，開關拓撲圖如圖2所示，由于該型號的繼電器默認一路NC為通路，直接分支拓展的連接方式會使得最終有一路是默認通路，所以本開關模塊將第一級繼電器NC端接上50Ω電阻連到地，這樣可以方便的實現1選4開關通道全部斷開的狀態。

圖2 1選4射頻開關拓撲圖

繼電器的輸入輸出信號線采取微帶傳輸線的形式，開關板可采用四層板設計，自上而下分別是頂層、地層、middle1層和底層，板材頂層和底層選用rogers4350b，中間層選用FR4的混壓形式，保證微帶線的傳輸條件。在布線較為密集的區域，信號線采用共地面波導傳輸，共地面波導不需要在基片上鉆孔或開槽與地連接，工藝更簡單，成本更低，而且相鄰的共地面波導之間有良好的屏蔽，所以在信號線密集區域采用共面波導更為合適。微帶線和共面波導的結構圖如圖3所示，使用ADS工具可仿真計算出微帶線線寬，共面波導線寬及離地間距的理論值。本次設計仿真結果為微帶傳輸線41mil，阻抗理論值49.8Ω；共面波導線寬32mil，離地間距11.715mil，阻抗理論值50Ω。

圖3 微帶線及共地面波導模型

開關板頂層和底層表面大面積鋪地，并在傳輸線間的鋪地銅皮上，打上接地孔，提升通道間的隔離效果。

3 結果分析

本設計的難點是實現射頻通道的良好匹配，以減小通道的反射和損耗，結合理論仿真參數，和射頻通道設計工程經驗，最終產品開關通道插入損耗測試曲線如圖4，由測試曲線可看出，在繼電器總插入損耗約1dB,連接器插損約0.3dB的前提下，3GHz以內的開關通道插損不高于1.5dB，通道匹配程度良好，實現了設計目標。

圖4 通道插入損耗曲線

4 結束語

該PXI射頻開關模塊在3U單槽空間內實現了4組1選4射頻開關通道的設計，頻率覆蓋到3GHz，具有優秀的射頻信號傳輸性能，已大量應用于自動測試系統中，實現多路射頻信號的自動控制。