测试系统阻抗匹配与开关质量的评价

如果已知驻波的最大幅值和最小幅值，那么图4中系统的VSWR就可以按照下式计算出来了：

VSWR还可以用于计算信号的回波损耗：

总的传输线损耗通常等于导线上的功率损耗(也称为传导损耗或电阻损耗)和系统内阻抗失配引起反射导致的损耗。在如图6所示的射频系统中，50-W的源和负载通过一条1m、75-W的同轴电缆连接在一起。在这个例子中，总的功率反射是由两个阻抗不连续点导致的，第一个点位于源和传输线之间，第二个点位于传输线和负载之间。

即使假设图6中的传输线是无损的，图7中左边的图表示介入损耗也多达0.7dB，这一损耗仅仅是由系统中的阻抗不连续而造成的。该图中波峰和波谷之间的距离主要取决于所用线缆的长度。图7中右边的图假设传输线有一定的传导和电阻损耗。该图中曲线的斜率表示该线缆的传导和介电损耗，而曲线的波纹是由于回波损耗随频率的变化而造成的(在这个例子中多达0.7dB)。

反射现象不仅出现在不匹配的射频系统中，而且出现在不匹配的射频系统元件中。因此，阻抗匹配不仅仅是最终用户需要考虑的问题，而且也是射频仪器和器件(例如发生器、分析仪和开关)的制造商需要考虑的问题。例如，一个PXI射频开关是由多个不同的元件组成的，包括PCB(Printed-Circuit-Board，印制电路板)线路、内部线缆和射频继电器。其中任何元件之间的阻抗失配都会严重影响开关的VSWR和回波损耗指标。由于各个厂商在射频开关模块的设计和元器件的选择上各有不同，因此我们必须检查最终产品的VSWR和介入损耗这两项指标，以确保可能由开关引起的信号反射幅值符合要求，并且要分析介入损耗的大小，判断该射频开关模块是否能够满足特定测试系统的需要。

高性能的射频开关在选择元器件和设计方案时会尽可能地减少阻抗失配，保证尽可能小的介入损耗和反射，以减少高频下的测量误差。射频开关中实际使用的继电器的品质对整个开关的性能有很大的影响。制造射频开关模块时最常用的两种继电器是PCB装配的继电器和同轴开关。

PCB装配的继电器有多种可能的配置，其中有一种是Form C SPDT(single-pole double-throw，单刀双掷)继电器。将多个SPDT继电器安装在一个PCB上可以构成更大规模的开关，例如多选开关(SP4T以及更多的掷数)或者开关矩阵。例如，美国国家仪器公司(www.ni.com)提供的PXI-2547型50-W、2.7GHz、8 1多选开关就是由七个Form C PCB装配的SPDT继电器构成的。

多个厂商都能够生产用于构建多选开关的PCB装配式继电器，其中某些型号的性能可达几个GHz。由于在PCB的装配设计中，继电器的引线是焊接在PCB上的，因此开关模块的制造商必须采用一种阻抗受控的方式将I/O连接器与继电器连接在一起。这需要使用具有合适几何结构及适当长度的PCB布线，以及高品质的连接器和线缆。采用50-W PCB布线的75-W开关模块就是一个设计糟糕的模块实例。由于PCB布线和用于构成开关的其他元件之间存在阻抗失配，所以这种产品对于高频信号会引起严重的功率损耗。因此，制造开关的设计专家对于使用PCB装配器件方式构成的开关模块的性能有着至关重要的影响。尽管继电器的内部阻抗无法改变，但是采用适当的设计技术能够最大限度地减少由于阻抗不连续而导致的反射问题。NI公司的PXI-2547(如图8所示)采用了精心的设计方案，将介入损耗控制在3dB以下(在2.7GHz的带宽下，介入损耗通常低于1.6dB)。

使用同轴开关或“罐”式结构的模块相比基于PCB元件装配的方式具有更大的性能优势。由于整个射频传输通路都包含在外壳中，由同轴连接器提供与测试信号的接口，因此同轴开关能够实现较低的介入损耗。但是，这种结构的成本比PCB装配的继电器更高，同时占用的系统空间也更大。美国国家仪器公司的PXI-2596型26.5-GHz 双6 1多选开关就采用了同轴开关的结构，它在26.5GHz频率下的介入损耗低于0.6dB。

如前所述，开关模块的设计在PCB装配式开关模块的设计中尤为重要，这是因为：与同轴开关不同，这种模块中与继电器的接口是通过分开的线缆和PCB布线实现的。连接器通常会导致信号反射，因此在选择连接器时必须十分慎重。对于大多数PCB装配式设计，某个模块需要工作的最高频率决定了所使用的连接器类型。SMA连接器具有尺寸小、性能高的特点，常用于大多数50-W的应用。它们具有50-W的特性阻抗，不适合用于75-W的开关模块中。

在设计PCB装配式开关模块时，也必须考虑PCB布线的影响。PCB布线的阻抗必须与继电器和连接器的阻抗相匹配，它的大小取决于铜线的几何结构以及所使用的介质材料。开关模块PCB设计中最常用的传输线类型包括微带、带状线和CPW(Coplanar Waveguide，共面波导)。每种类型都有其优势和弱点。例如，带状线比微带线具有更好的隔离度。但是，由于带状线需要在信号布线层的上面和下面都设置接地面，因此它需要采用通孔(很难实现阻抗匹配)来实现较好的电气连接性能。CPW在不同的布线宽度下能够保持特性阻抗不变，但是它与接地面的间隙宽带必须做相应地变化。

上述各个因素对于射频开关系统的设计是非常重要的。选择高品质的射频产品对于实现高性能的射频测试系统是必不可少的。但是它们不能弥补糟糕的系统设计所带来的问题。如果在一个75-W的测试系统中传输信号，即使采用最好最昂贵的50-W射频开关也会导致严重的反射问题。因此，实现高性能的射频测量系统应该选用阻抗匹配的元件。