一种8路射频信号选择开关电路的设计与实现

2014-10-16杨威杜明玉

移动通信 2014年17期

杨威++杜明玉

【摘要】射频开关是通信系统中一种重要的信号切换与通断控制器件。设计了一种工作于0.8GHz—2.5GHz频段的多芯片集成的8端输入单端输出的射频开关电路，并描述了具体的系统工作原理和器件特性。根据插入损耗、驻波比、隔离度指标给出了详细的实现策略并用矢量网络分析仪进行性能测试，测试结果满足指标要求。

【关键词】选择开关插入损耗驻波比隔离度

中图分类号：TN602 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-17-0089-04

1 引言

在通信系统中通常采用开关切换技术来实现信号的通断与控制，射频开关是一种工作在射频频段用于控制射频信号大小及路径的控制器件[1]。由于射频开关具有结构简单、成本低、功耗低、信号损耗低、高速切换等优点，使其广泛应用在载波电话切换、有线电视信号切换、有线电视信号开关等领域。比如在射频硬件系统备份时，一路通路坏掉可以通过射频开关切换到备份通路上[2]。

本文采用3-8译码器，PIN二极管开关芯片以及8选1集成开关芯片设计了一款8端输入单端输出的选择开关电路。

2 系统原理及构成概述

2.1 系统原理描述

本设计的开关电路工作在0.8GHz—2.5GHz频段，工作电压为+5V。共有8路射频信号分别从8个输入端口（J1～J8）输入，最终由共用的输出端口J0输出经开关选择后的某一通路信号，完成信号的8路通断选择功能。

该开关电路的选择功能由3个数字控制位C1、C2、C3不同的高低电平的组合来完成，C1、C2、C3和模块中的3-8译码器的3个地址输入管脚连接，C1、C2、C3的不同电平组合使得译码器的8个输出管脚中不同的某个管脚输出高电平，其余管脚均为低电平。译码器的8个输出管脚分别连接8个单端输入单端输出的开关芯片的控制电压管脚，当控制电压电平为高时，开关芯片工作（即导通），反之芯片不工作（不导通），这样就实现了译码器对开关芯片通断的控制，完成了8路的选择功能。

由于是8路信号输入单端输出，因此模块的输出部分为一个8选1集成开关芯片，完成8路经由前级单端输入单端输出开关选择的信号最终从共用端口J0输出的功能。至此，整个电路功能实现。

通路的控制逻辑如表1所示（“0”代表GND，“1”代表+5V）：

（1）3-8译码器MC74HC238A

文中用到的译码器为ON Semiconductor的一款3-8译码器，工作电压范围为+2V～+6V，该设计中采用+5V电源供电。MC74HC238A有3个地址输入端A2、A1、A0，8个输出端Y0～Y7，每个输入地址高低电平的组合都只有一个输出端输出为高电平（约为4.6V），该高电平用以驱动相应的开关芯片PE4251，从而完成开关选择功能。

（2）射频开关芯片PE4251

开关芯片PE4251是Peregrine公司的一款低损耗、高隔离、快速转换开关，开关转换时间仅有150ns，芯片采用3.3V或5V供电，有2个开关控制引脚V1和V2，V1为高电平时开关导通，V1为低电平时开关断开；V2是V1的补足管脚，与V1的电平正好相反，V2用来给输出端口的芯片HMC253LC4供电。PE4251还有2个射频输入管脚RF1和RF2，文中只用到管脚RF1，而RF2通过电阻接地。

（3）8选1集成开关芯片HMC253LC4

HMC253LC4是Hittite的一款带有3-8译码器功能的8路信号选择开关集成芯片，该芯片插损低（工作频带内约为1.5dB），相互管脚通路之间的隔离度好，和前述芯片一样工作电压为5V。该芯片有3个选择控制引脚CTLC、CTLB、CTLA同3-8译码器MC74HC238A的3个控制引脚A2、A1、A0相接，保证前后选择通路的一致性，实现整个电路模块对某一路射频信号的选择功能。

（4）电源及控制接口

该电源和控制接口由一个DB-9P连接器实现开关电路的+5V电压供电和控制信号C1、C2、C3的输入。其中1、2、3号接口为控制信号C1、C2、C3接口，7号接口为+5V供电接口，9号接口为接地端口，4、5、6、8号接口为未使用接口，DB-9P连接器示意图如图2所示：

（5）底座及盖板

在射频电路的设计与实现过程中，仅有电路的设计是远远不够的，空间信号的复杂性以及相互之间的串扰使得一个射频电路如果没有任何屏蔽装置的保护与隔离，很可能会出现实际电路性能达不到预设的指标要求，导致开发的失败[3]。因此本次开关电路的实现离不开结构件底座及盖板的设计。

底座的主要作用是固定开关电路的PCB板，保护单板不受外力作用的损伤；同时底座还通过螺钉将输入输出端口的SMA射频连接器固定在其结构件上，防止在接线时由于外力扭动造成输入输出端口焊盘脱焊损坏。

盖板起到屏蔽外部信号和隔离内部电路干扰的作用，在各通路信号走线的上方留有沟槽，而沿着信号走线之间则被盖板的凸起部分隔离开来，防止不同通路之间信号的泄露干扰，保证输出信号的正确和电路性能指标的实现。

3 指标设计要求及实现

3.1 插入损耗

插入损耗反映电路接入后对信号的衰减程度，插入损耗应尽可能的小以降低给信号衰减带来的功率损失。该开关插入损耗要求为≥-3dB。

插入损耗的预算主要取决于信号链路上的各个元器件的插入损耗的线性叠加。信号从开关芯片PE4251输入，查找PE4251的数据手册可知在0.8GHz—2.5GHz频段内插损的最大值约为0.9dB，输出端为8选1集成开关芯片HMC253LC4，其在工作频带内的插入损耗最差值约为1.6dB。因此理论上该开关电路的插入损耗值大约在-2.5dB，考虑到器件一致性问题和设计余量，将插损指标定在3dB是能够实现的。endprint

3.2 输入输出驻波比

输入输出驻波主要反映端口的匹配好坏，过大的驻波会造成信号能量的损失和器件的损伤或损坏，本设计中的开关电路输入端口驻波≤1.4，输出端口驻波≤1.6。

信号输入端口为开关芯片PE4251的RF1管脚，根据PE4251数据手册中给出的对应工作频段的回波损耗最差值（-20dB），即驻波比约为1.2。根据实际焊接的情况来看，驻波比的大小还跟焊接用的焊锡量和焊点的平滑程度有关。焊锡量过少会导致接头盒信号线接触不充分，焊锡量过多会导致与信号线旁的地端距离过近，这些都会造成驻波不同程度的恶化；焊点如果不够平滑，出现尖刺，同样会使驻波恶化。基于这些不可控的人为焊接影响，可能出现特性的不一致性，因此指标留出一定的余量。

输出端口驻波理论值查询HMC253LC4数据手册可知大概在1.43左右，考虑余量问题指标定为≤1.6是实际可行的。

3.3 端口隔离度

端口隔离度主要反映端口之间信号泄露或干扰的强弱程度，本设计中的开关电路输入端口之间的隔离度指标要求为ISO≤-55dB。

实现隔离度指标主要靠盖板中的隔离结构以及盖板与电路盘的接触紧密程度。隔离结构就是按照各通路信号的走向通过挖沟槽的措施起到信号各自传输而相互之间被盖板隔离墙隔离的作用[4]。在调试过程中发现，隔离度的大小与盖板是否和电路板紧密接触有很大的关系，二者之间很小的缝隙将导致隔离度的恶化，因此在设计盖板的尺寸时要做到精细才能保证紧密接触，从而保证端口之间隔离度指标的实现。

4 测试方法与测试结果

4.1 插损及驻波比测试

5 结束语

在无线通信系统信号切换或通断的功能实现中，射频开关电路发挥着至关重要的作用，其性能直接影响着信号通过的质量、信号切换的速度、所能容纳的信号功率容量等。文中不仅给出了理论设计的指标规划，同时还指出了在实际电路制作过程中该如何采取适当策略保证模块的最终特性满足指标要求。基于此，本文设计的开关电路插损低、驻波较小、端口隔离性能好，能够较好的完成8路信号的切换选择功能。

参考文献：

[1] 严丰庆，钱澄. 射频开关及其在通信系统中的应用[J]. 电子器件， 2005，28（1）.

[2] 路雪莲，吴鸣鸣. 一种新型微波射频开关（4×2）的设计与应用[J]. 国外电子元器件， 2008（2）.

[3] 于映，罗仲梓，翁心桥. 接触式串联射频MEMS开关的工艺研究[J]. 真空科学与技术学报， 2004，24（4）.