王胜海 王辉球
摘 要： 提出应用于通信系统中的基于单刀多掷开关（SPNT）的高速射频矩阵设计，分析射频矩阵设计原理，给出一个L波段的高速射频矩阵详细设计方案，通过实际测试检验，设计满足了预期指标。在目前电子设备综合化发展的趋势下，可以提供良好的射频综合化功能，为电子设备的小型化综合化提供了解决思路。
关键词： 通信系统； 单刀多掷开关； 高速射频交换矩阵； 设计方案
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）07?0069?04
0 引 言
近几十年来，电子系统已经改变了传统的将不断出现的功能设备逐渐堆积式的向前发展模式，而是沿着网络化、综合化、模块化、通用化和智能化的方向发展。1992年，Mitola在美国电信系统会上首次提出软件无线电的概念[1]，用应用软件代替传统无线电系统中以硬件为主的设计，实现波形产生、处理、加密、调制解调和其他通信系统功能。通过可重构现场应用软件，实现动态修改通信功能。软件无线电的核心内容之一是宽带数字接收机[2]，它是通过中频直接采样，把目标信号的原始信息不失真地记录下来，利用各种数字信号处理的方法和频谱分析工具进行处理。由于目前技术手段的限制，还无法实现在天线端宽带接收[3]，宽带功放设计也只是刚刚起步，远未达到实际使用的程度。所以必须对不同频段分开设计天线和功放，由统一的射频收发通道到功放和天线必须经过射频交换矩阵[4]。
射频交换矩阵广泛使用在卫星系统[5?7]、微波测试系统中[8?10]以及智能天线系统[11?14]，目前可以实现的带宽[15?16]可达到0～60 GHz，其实现手段也从机械与半导体开关相结合发展到微机电系统（MEMS）[17?18]。目前国内在通信系统中采用射频交换矩阵的尚未见于文献，随着国内软件无线电和综合化发展，越来越多的通信系统的射频交换矩阵研究已经展开。
本文提出一种L波段可编程高速24×16射频交换矩阵，采用级联方式，在满足设计指标的前提下，达到工程实用要求，有效地降低了设备复杂性，提高了灵活性和可维修性。
1 射频交换矩阵设计原理
设计和配置射频交换矩阵时，应充分考虑测试需求和测试方法，选择合适的开关类型和拓扑结构， 才能实现高性价比的射频交换矩阵。一般来说，射频交换矩阵的设计应遵循以下原则[11?13，15?18]：
（1） 根据系统参数选择合适的开关种类；
（2） 选用高性能微波开关，插入损耗、驻波比小，隔离度高，可靠性、重复性好；
（3） 选用高性能微波电缆，插入损耗、驻波比小；
（4） 避免使用衰减器，若测量过程中必须使用衰减器，尽量使用小衰减器；
（5） 尽量使用多掷开关代替双掷开关，减少微波开关使用数量；
（6） 将微波开关矩阵设计为一个单独系统，对所有开关以及微波开关矩阵输入/输出端口物理位置进行固定，减少人为因素的影响。
按照以上原则设计射频交换矩阵，以[n×n]开关矩阵为例，它是由[n]只输入单刀[n]掷开关和[n]只输出单刀[n]掷开关彼此选择端口两两相连所构成的。通过分别控制输入/输出单刀开关可自由组合，[n]个输入端口与[n]个输出端口可以任意选通，但同一时间1个输入端口只能对应1个输出端口，即同一时间有[n]路通道，只是通道的输入/输出端口可变，有：
[P=p0，0…p0，j…p0，n?????pi，0…pi，j…pi，n?????pn，0…pn，j…pn，n] （1）
式中假设[pi，j=1]代表选通，则选通原则为：
[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）
总单元个数为：
[W（n，m）=n2log m+m?CSPNT] （3）
式中[CSPNT]为构建单刀多掷开关的单元个数：
[CSPNT=ilog （nm-1）2i=nm-1] （4）
由式（3）、式（4）可得：
[W（n，m）=n2log m+n-m] （5）
则射频交换矩阵总差损可以近似为所有开关元素和单刀多掷开关在驻波比好的时候的总和：
[ILtotal≈log m?ILSE+ILSPNT+ILIT] （6）
式中：ILSE和ILSPNT分别是开关元素和单刀多掷开关的差损；ILIT是连接损耗：
[ILSEtotal≈log m?ILSE+（log n-log m）?ILSE+ILIT] （7）
射频交换矩阵的可靠性为[8]：
[Po=P（t）W（n，m）+n2?log m?P（t）W（n，m）-1Q（t）+ε（n，m）] （8）
2 高速射频交换矩阵设计方案
由于目前技术手段的限制，国内尚不具备微机电系统实现射频交换矩阵的器件。按照设计原则（1），可供选用的开关有两种：GaAs FET单片开关和PIN开关。GaAs FET开关具有开关速度快，驱动功耗低的特点，应用频带宽，可以从DC～18 GHz，控制信号与射频信号通道隔离好，易于单片集成，系列化程度好，但功率容量相对来说较小；PIN开关的功率容量较好，插损小、隔离度高，结构设计较灵活，可靠性高，易于级联。但需要较大的控制电流，控制信号直接在射频信号通道中，为了抑制射频信号从控制端泄漏，需要在控制端串接大电感或电阻，开关速度略低。PIN开关的驱动都需要驱动电路及信号变换的门电路，这些低频电路又对泄漏的射频信号起到了很大的衰减作用，一般为40～50 dB，因此射频信号泄漏到模块输入控制接口的信号应小于-80 dB。从开关速度指标看两种开关均可满足要求。但对射频矩阵来说，按照设计原则（2），其小的插入损耗是设计的重点，选择开关的主要依据是采用最小插损的开关。
L波段的单刀多掷GaAs FET单片开关较少，且插损较大，单级开关隔离度只有40 dB左右，要达到80 dB的隔离度要求，在每个通道上还要在增加一级单刀单掷开关，这样开关的插损更大，根据设计原则（1）～（6），因此选择使用PIN二极管开关。从减小体积考虑，设计用24个单刀16掷开关级联16个单刀24掷开关来组成需要的24×16开关矩阵。
串联PIN二极管的插入损耗IL和隔离度ISO的计算公式为：
[IL=20lg [1+Rs（2Z0）]] （9）
[ISO=10lg [1+（4πfCZ0）-2]] （10）
并联PIN二极管的插入损耗和隔离度的计算公式为：
[IL=10lg [1+（πfCZ0）2]] （11）
[ISO=20lg [1+Z0（2Rs）]] （12）
式中：[Rs]为PIN二极管正向偏置时导通电阻；[C]为PIN二极管反向偏置时的电容；[Z0]为特性阻抗50 Ω；[f]为应用频率。
将式（9）、式（11）代入式（7），结合开关性能，串并联结构的PIN开关更容易实现低插损和高隔离，因此选用串并联电路结构组成开关矩阵。
基于开关的射频矩阵24×16开关矩阵采用24个单刀16掷开关级联16个单刀24掷开关来组成需要的24×16开关矩阵。其中单刀24掷开关采用一个单刀6掷开关级联6个单刀4掷开关再级联24个单刀2掷开关实现，单刀6掷开关选用Hittite公司生产的HMC252，单刀4掷开关选用Hittite公司生产的HMC345，单刀2掷开关选用Hittite公司生产的HMC190。主要指标如下：
HMC252：插损小于1 dB，隔离度大于40 dB，开关速度小于150 ns；
HMC345：插损小于2 dB，隔离度大于50 dB，开关速度小于120 ns；
HMC190：插损小于0.5 dB，隔离度大于25 dB，开关速度小于20 ns。
因此单刀24掷开关总插损应小于3.5 dB，隔离度大于60 dB。单刀24掷开关设计如图1所示。
图1 单刀24掷开关设计
单刀16掷开关采用一个单刀4掷开关再级联4个单刀4掷开关实现，单刀4掷开关选用Hittite公司生产的HMC241，主要指标如下：
HMC241：插损小于0.8 dB，隔离度大于40 dB，开关速度小于150 ns。
单刀16掷开关总插损应小于2 dB。单刀16掷开关设计如图2所示。
图2 单刀16掷开关设计
3 高速射频交换矩阵主要技术指标论证和测试
开关本身插损小于5.5 dB，考虑到开关级联失配及接头、电缆等损耗，预计实际插损应小于6 dB。开关矩阵路间插损不一致性小于0.3 dB，除了开关本身插损不一致性外，还由于开关之间连接为同轴电缆，电缆长度也影响了开关的插损一致性，因此通过增加通道中固定衰减器来调整开关插损一致性。选择最小固定衰减器的损耗为0.15 dB（型号为BW100系列单片固定衰减器），可以精确调试开关通道插损。PIN二极管为电流控制器件，其承受功率能力主要取决于工作频率及PIN二极管物理参数及偏置电流， PIN二极管载流子寿命大于200 ns，偏置电流大于15 mA，则开关的P1 dB在工作频率范围内大于15 dBm。
射频矩阵性能指标主要测试性能如下：
（1） 射频通路（24入16出）；
（2） 驻波比：1.8；
（3） 插损：≤5 dB；
（4） 隔离度：≥60 dB；
（5） 开关速度：≤5 μs；
（6） 24个输入端口可指向任何16个输出端口。
由于篇幅限制，表1中仅列出1路入16路出的测试结果。
表1 射频交换矩阵差损隔离度测试表
[测试
参数＼&插入损
耗 /dB＼&驻波比＼&隔离度
/dB＼&承载功率
/dBm＼&输入驻波比＼&输出驻波比＼&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 结 论
本文提出了一种L波段程控24×16高速射频交换矩阵设计方法，解决了目前尚无宽带接收天线和宽带功放的情况下，用软件无线电的方法实现宽带数字接收机的问题。解决方案为对于不同频段分开设计天线和功放，由统一的射频收发通道经过射频矩阵到功放和天线。经过理论分析和实践验证证明该设计可以满足要求，实现了基于软件无线电的宽带数字接收机。
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