摘 要： 提出應用于通信系統(tǒng)中的基于單刀多擲開關（SPNT）的高速射頻矩陣設計，分析射頻矩陣設計原理，給出一個L波段的高速射頻矩陣詳細設計方案，通過實際測試檢驗，設計滿足了預期指標。在目前電子設備綜合化發(fā)展的趨勢下，可以提供良好的射頻綜合化功能，為電子設備的小型化綜合化提供了解決思路。

關鍵詞： 通信系統(tǒng)； 單刀多擲開關； 高速射頻交換矩陣； 設計方案

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0069?04

0 引 言

近幾十年來，電子系統(tǒng)已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的將不斷出現(xiàn)的功能設備逐漸堆積式的向前發(fā)展模式，而是沿著網(wǎng)絡化、綜合化、模塊化、通用化和智能化的方向發(fā)展。1992年，Mitola在美國電信系統(tǒng)會上首次提出軟件無線電的概念[1]，用應用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)無線電系統(tǒng)中以硬件為主的設計，實現(xiàn)波形產(chǎn)生、處理、加密、調(diào)制解調(diào)和其他通信系統(tǒng)功能。通過可重構現(xiàn)場應用軟件，實現(xiàn)動態(tài)修改通信功能。軟件無線電的核心內(nèi)容之一是寬帶數(shù)字接收機[2]，它是通過中頻直接采樣，把目標信號的原始信息不失真地記錄下來，利用各種數(shù)字信號處理的方法和頻譜分析工具進行處理。由于目前技術手段的限制，還無法實現(xiàn)在天線端寬帶接收[3]，寬帶功放設計也只是剛剛起步，遠未達到實際使用的程度。所以必須對不同頻段分開設計天線和功放，由統(tǒng)一的射頻收發(fā)通道到功放和天線必須經(jīng)過射頻交換矩陣[4]。

射頻交換矩陣廣泛使用在衛(wèi)星系統(tǒng)[5?7]、微波測試系統(tǒng)中[8?10]以及智能天線系統(tǒng)[11?14]，目前可以實現(xiàn)的帶寬[15?16]可達到0～60 GHz，其實現(xiàn)手段也從機械與半導體開關相結合發(fā)展到微機電系統(tǒng)（MEMS）[17?18]。目前國內(nèi)在通信系統(tǒng)中采用射頻交換矩陣的尚未見于文獻，隨著國內(nèi)軟件無線電和綜合化發(fā)展，越來越多的通信系統(tǒng)的射頻交換矩陣研究已經(jīng)展開。

本文提出一種L波段可編程高速24×16射頻交換矩陣，采用級聯(lián)方式，在滿足設計指標的前提下，達到工程實用要求，有效地降低了設備復雜性，提高了靈活性和可維修性。

1 射頻交換矩陣設計原理

設計和配置射頻交換矩陣時，應充分考慮測試需求和測試方法，選擇合適的開關類型和拓撲結構， 才能實現(xiàn)高性價比的射頻交換矩陣。一般來說，射頻交換矩陣的設計應遵循以下原則[11?13，15?18]：

（1） 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選擇合適的開關種類；

（2） 選用高性能微波開關，插入損耗、駐波比小，隔離度高，可靠性、重復性好；

（3） 選用高性能微波電纜，插入損耗、駐波比??；

（4） 避免使用衰減器，若測量過程中必須使用衰減器，盡量使用小衰減器；

（5） 盡量使用多擲開關代替雙擲開關，減少微波開關使用數(shù)量；

（6） 將微波開關矩陣設計為一個單獨系統(tǒng)，對所有開關以及微波開關矩陣輸入/輸出端口物理位置進行固定，減少人為因素的影響。

按照以上原則設計射頻交換矩陣，以[n×n]開關矩陣為例，它是由[n]只輸入單刀[n]擲開關和[n]只輸出單刀[n]擲開關彼此選擇端口兩兩相連所構成的。通過分別控制輸入/輸出單刀開關可自由組合，[n]個輸入端口與[n]個輸出端口可以任意選通，但同一時間1個輸入端口只能對應1個輸出端口，即同一時間有[n]路通道，只是通道的輸入/輸出端口可變，有：

[P=p0，0…p0，j…p0，n?????pi，0…pi，j…pi，n?????pn，0…pn，j…pn，n] （1）

式中假設[pi，j=1]代表選通，則選通原則為：

[pi，j=1，i，j=1，2，…，npi，l=0，l≠j；l=1，2，…，npm，j=0，m≠i；m=1，2，…，n] （2）

總單元個數(shù)為：

[W（n，m）=n2log m+m?CSPNT] （3）

式中[CSPNT]為構建單刀多擲開關的單元個數(shù)：

[CSPNT=ilog （nm-1）2i=nm-1] （4）

由式（3）、式（4）可得：

[W（n，m）=n2log m+n-m] （5）

則射頻交換矩陣總差損可以近似為所有開關元素和單刀多擲開關在駐波比好的時候的總和：

[ILtotal≈log m?ILSE+ILSPNT+ILIT] （6）

式中：ILSE和ILSPNT分別是開關元素和單刀多擲開關的差損；ILIT是連接損耗：

[ILSEtotal≈log m?ILSE+（log n-log m）?ILSE+ILIT] （7）

射頻交換矩陣的可靠性為[8]：

[Po=P（t）W（n，m）+n2?log m?P（t）W（n，m）-1Q（t）+ε（n，m）] （8）

2 高速射頻交換矩陣設計方案

由于目前技術手段的限制，國內(nèi)尚不具備微機電系統(tǒng)實現(xiàn)射頻交換矩陣的器件。按照設計原則（1），可供選用的開關有兩種：GaAs FET單片開關和PIN開關。GaAs FET開關具有開關速度快，驅(qū)動功耗低的特點，應用頻帶寬，可以從DC～18 GHz，控制信號與射頻信號通道隔離好，易于單片集成，系列化程度好，但功率容量相對來說較小；PIN開關的功率容量較好，插損小、隔離度高，結構設計較靈活，可靠性高，易于級聯(lián)。但需要較大的控制電流，控制信號直接在射頻信號通道中，為了抑制射頻信號從控制端泄漏，需要在控制端串接大電感或電阻，開關速度略低。PIN開關的驅(qū)動都需要驅(qū)動電路及信號變換的門電路，這些低頻電路又對泄漏的射頻信號起到了很大的衰減作用，一般為40～50 dB，因此射頻信號泄漏到模塊輸入控制接口的信號應小于-80 dB。從開關速度指標看兩種開關均可滿足要求。但對射頻矩陣來說，按照設計原則（2），其小的插入損耗是設計的重點，選擇開關的主要依據(jù)是采用最小插損的開關。

L波段的單刀多擲GaAs FET單片開關較少，且插損較大，單級開關隔離度只有40 dB左右，要達到80 dB的隔離度要求，在每個通道上還要在增加一級單刀單擲開關，這樣開關的插損更大，根據(jù)設計原則（1）～（6），因此選擇使用PIN二極管開關。從減小體積考慮，設計用24個單刀16擲開關級聯(lián)16個單刀24擲開關來組成需要的24×16開關矩陣。

串聯(lián)PIN二極管的插入損耗IL和隔離度ISO的計算公式為：

[IL=20lg [1+Rs（2Z0）]] （9）

[ISO=10lg [1+（4πfCZ0）-2]] （10）

并聯(lián)PIN二極管的插入損耗和隔離度的計算公式為：

[IL=10lg [1+（πfCZ0）2]] （11）

[ISO=20lg [1+Z0（2Rs）]] （12）

式中：[Rs]為PIN二極管正向偏置時導通電阻；[C]為PIN二極管反向偏置時的電容；[Z0]為特性阻抗50 Ω；[f]為應用頻率。

將式（9）、式（11）代入式（7），結合開關性能，串并聯(lián)結構的PIN開關更容易實現(xiàn)低插損和高隔離，因此選用串并聯(lián)電路結構組成開關矩陣。

基于開關的射頻矩陣24×16開關矩陣采用24個單刀16擲開關級聯(lián)16個單刀24擲開關來組成需要的24×16開關矩陣。其中單刀24擲開關采用一個單刀6擲開關級聯(lián)6個單刀4擲開關再級聯(lián)24個單刀2擲開關實現(xiàn)，單刀6擲開關選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC252，單刀4擲開關選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC345，單刀2擲開關選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC190。主要指標如下：

HMC252：插損小于1 dB，隔離度大于40 dB，開關速度小于150 ns；

HMC345：插損小于2 dB，隔離度大于50 dB，開關速度小于120 ns；

HMC190：插損小于0.5 dB，隔離度大于25 dB，開關速度小于20 ns。

因此單刀24擲開關總插損應小于3.5 dB，隔離度大于60 dB。單刀24擲開關設計如圖1所示。

圖1 單刀24擲開關設計

單刀16擲開關采用一個單刀4擲開關再級聯(lián)4個單刀4擲開關實現(xiàn)，單刀4擲開關選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC241，主要指標如下：

HMC241：插損小于0.8 dB，隔離度大于40 dB，開關速度小于150 ns。

單刀16擲開關總插損應小于2 dB。單刀16擲開關設計如圖2所示。

圖2 單刀16擲開關設計

3 高速射頻交換矩陣主要技術指標論證和測試

開關本身插損小于5.5 dB，考慮到開關級聯(lián)失配及接頭、電纜等損耗，預計實際插損應小于6 dB。開關矩陣路間插損不一致性小于0.3 dB，除了開關本身插損不一致性外，還由于開關之間連接為同軸電纜，電纜長度也影響了開關的插損一致性，因此通過增加通道中固定衰減器來調(diào)整開關插損一致性。選擇最小固定衰減器的損耗為0.15 dB（型號為BW100系列單片固定衰減器），可以精確調(diào)試開關通道插損。PIN二極管為電流控制器件，其承受功率能力主要取決于工作頻率及PIN二極管物理參數(shù)及偏置電流， PIN二極管載流子壽命大于200 ns，偏置電流大于15 mA，則開關的P1 dB在工作頻率范圍內(nèi)大于15 dBm。

射頻矩陣性能指標主要測試性能如下：

（1） 射頻通路（24入16出）；

（2） 駐波比：1.8；

（3） 插損：≤5 dB；

（4） 隔離度：≥60 dB；

（5） 開關速度：≤5 μs；

（6） 24個輸入端口可指向任何16個輸出端口。

由于篇幅限制，表1中僅列出1路入16路出的測試結果。

表1 射頻交換矩陣差損隔離度測試表

[測試

參數(shù)＼插入損

耗 /dB＼駐波比＼隔離度

/dB＼承載功率

/dBm＼輸入駐波比＼輸出駐波比＼1?1＼2.5＼1.7＼1.6＼64＼11.5＼1?2＼2.8＼1.7＼1.6＼62.1＼11＼1?3＼2.7＼1.6＼1.8＼63.5＼11.2＼1?4＼3＼1.8＼1.6＼65.5＼11.5＼1?5＼3＼1.6＼1.7＼66.4＼11.2＼1?6＼2.6＼1.6＼1.6＼63＼11.5＼1?7＼2.5＼1.8＼1.8＼63.9＼11.1＼1?8＼2.8＼1.7＼1.7＼64.5＼11.2＼1?9＼3＼1.7＼1.7＼63＼11＼1?10＼2.9＼1.7＼1.7＼66.9＼11.2＼1?11＼2.6＼1.6＼1.7＼64＼11.5＼1?12＼2.6＼1.7＼1.7＼63.1＼11.3＼1?13＼2.8＼1.6＼1.6＼66.3＼11.5＼1?14＼2.6＼1.8＼1.7＼66＼11.4＼1?15＼2.8＼1.6＼1.8＼65.8＼11.1＼1?16＼3＼1.8＼1.8＼62.4＼11.4＼…＼…＼…＼…＼…＼…＼]

4 結 論

本文提出了一種L波段程控24×16高速射頻交換矩陣設計方法，解決了目前尚無寬帶接收天線和寬帶功放的情況下，用軟件無線電的方法實現(xiàn)寬帶數(shù)字接收機的問題。解決方案為對于不同頻段分開設計天線和功放，由統(tǒng)一的射頻收發(fā)通道經(jīng)過射頻矩陣到功放和天線。經(jīng)過理論分析和實踐驗證證明該設計可以滿足要求，實現(xiàn)了基于軟件無線電的寬帶數(shù)字接收機。

參考文獻

[1] TSUI James.寬帶數(shù)字接收機[M].楊小牛，陸安南，金飚，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[3] 王永明，張爾揚，王世練，等.基于多級信道化的超寬帶搜索接收機設計與實現(xiàn)[J].信號處理，2010，26（1）：121?126.

[4] 周豫民.短波射頻交換矩陣的模塊化設計[J].通信論壇，2006（12）：46?47.

[5] 周海鶯，黃錦淵，祝春萌，等.利用矩陣實現(xiàn)氣象衛(wèi)星信號的可靠接收[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（23）：101?106.

[6] MAHLE C E， GELLER B D， POTUKUCHI J R， et al. Advanced communications satellite technology [J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 1988， 3（11）： 3?10.

[7] MAHLE C. High end microwave technologies in global communications [C]// IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. [S.l.]： IEEE， 1993， 2： 571?573.

[8] FORCIER Neil. RF/microwave switch considerations [C]// 2008 IEEE Auto Test Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2008： 11?15.

[9] KOLMONEN V M， KIVINEN J， VUOKKO L， et al. 5.3 GHz MIMO radio channel sounder [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2006， 55（4）： 1263?1269.

[10] 李士剛，王文偉，姚崇斌.微波開關矩陣設計與使用[J].應用天地，2009（7）：69?72.

[11] U?YEN K， LU Dong， KENNEY J S. A low?loss high?reliability microwave switch matrix for smart antenna systems [C]// IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. [S.l.]： IEEE， 2004， 2： 1125?1128.

[12] U?YEN K， KENNEY J S. An optimization technique for low?loss n/spl times/m microwave switch matrices [C]// Proceedings of RAWCON ′03 Radio and Wireless Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2003： 341?344.

[13] U?YEN K， AHN M， ZHANG Zhong?Ju， et al. Effects of microwave switch isolation on a Butler matrix beamforming network in smart antenna systems [C]//IEEE Radio and Wireless Conference. [S.l.]： IEEE， 2004： 67?70.

[14] COPANI T， GIRLANDO G， SMERZI S A， et al. A wide?band low?crosstalk switch?matrix and output buffer for DVB?S applications [C]// IEEE Radio Frequency integrated Circuits （RFIC） Symposium Digest of Papers. [S.l.]： IEEE， 2005： 87?90.

[15] YANG Yi?xiu， CHAN King Yuk， RAMER Rodica. Wideband RF nano switch matrix [C]// Antennas and Propagation Society International Symposium. [S.l.]： [s.n.]， 2011： 830?834.

[16] ZHAO Y， FRIGON J F， WU K， et al. Multi （six）?port impulse radio for ultra?wideband [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2006， 50： 1707?1712.

[17] RAMER R， MANSOUR R R， DANESHMAND M， et al. Monolithic crossbar MEMS switch matrix [C]// IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. [S.l.]： IEEE， 2008： 129?132.

[18] EUGENE Siew， YUK Chan King， RODICA Ramer， et al. Design of a RF NEMS switch matrix [C]// IEEE International Symposium on Antennas and Propagation （APSURSI）. [S.l.]： IEEE， 2011： 12?15.