HF-Schalter - RF switch

Ein HF-Schalter oder Mikrowellenschalter ist ein Gerät zum Leiten von Hochfrequenzsignalen durch Übertragungswege. HF- ( Radiofrequenz- ) und Mikrowellenschalter werden in Mikrowellen-Testsystemen häufig zur Signalführung zwischen Instrumenten und Prüflingen (DUT) verwendet. Durch die Integration eines Switches in ein Switch-Matrix-System können Sie Signale von mehreren Instrumenten an einzelne oder mehrere DUTs weiterleiten. Dadurch können mehrere Tests mit demselben Setup durchgeführt werden, wodurch häufige Verbindungen und Trennungen überflüssig werden. Der gesamte Testprozess kann automatisiert werden, was den Durchsatz in hochvolumigen Produktionsumgebungen erhöht.

Wie andere elektrische Schalter bieten HF- und Mikrowellenschalter unterschiedliche Konfigurationen für viele verschiedene Anwendungen. Nachfolgend finden Sie eine Liste typischer Switch-Konfigurationen und -Nutzung:

Einpoliger Doppelhubschalter (SPDT) von Agilent Technologies
  • Multiport-Switches oder einpolige Multiple Throw-(SPnT)-Switches ermöglichen einen einzelnen Eingang für mehrere (drei oder mehr) Ausgangspfade.
  • Transferschalter oder zweipolige Doppelhubschalter (DPDT) können verschiedenen Zwecken dienen.
  • Bypass-Schalter fügen eine Testkomponente in einen Signalpfad ein oder entfernen sie daraus.
Typische Anwendung eines 4-Port-Bypass-Schalters

HF-CMOS- Schalter sind von entscheidender Bedeutung für die moderne drahtlose Telekommunikation , einschließlich drahtloser Netzwerke und mobiler Kommunikationsgeräte . Die Bulk-CMOS-HF-Switches von Infineon werden  jährlich über 1 Milliarde Einheiten verkauft und erreichten  2018 kumuliert 5 Milliarden Einheiten.

Technologien

Die beiden Hauptarten von HF- und Mikrowellenschaltern haben unterschiedliche Fähigkeiten:

Einige der elektromechanischen Schalter von Agilent Technologies
  • Ein Festkörperschalter ist eine elektronische Schaltvorrichtung , basierend auf der Halbleitertechnologie (zB MOSFET , PIN - Diode ). Er funktioniert ähnlich wie ein elektromechanischer Schalter, hat jedoch keine beweglichen Teile.
    Einige der Solid-State-Switches von Agilent Technologies
Parameter Elektromechanisch Fester Zustand
Frequenzbereich von [DC] ab kHz
Einfügedämpfung niedrig hoch
Rückflussdämpfung gut gut
Wiederholbarkeit gut Ausgezeichnet
Isolation Ausgezeichnet gut
Schaltgeschwindigkeit in ms in ns
Einschwingzeit < 15 ms < 1 μs
Belastbarkeit hoch niedrig
Videoleckage keiner niedrig
Lebensdauer 5 Millionen Zyklen unendlich
ESD-Immunität hoch niedrig
Empfindlich gegen Vibration Überbeanspruchung der HF-Leistung

Parameter

Frequenzbereich

HF- und Mikrowellenanwendungen reichen im Frequenzbereich von 100 MHz für Halbleiter bis 60 GHz für Satellitenkommunikation. Breitbandzubehör erhöht die Flexibilität des Testsystems durch die Erweiterung der Frequenzabdeckung. Die Frequenz ist jedoch immer anwendungsabhängig und eine breite Betriebsfrequenz kann geopfert werden, um andere kritische Parameter zu erfüllen. Beispielsweise kann ein Netzwerkanalysator einen 1-ms-Sweep für eine Messung der Einfügungsdämpfung durchführen, so dass für diese Anwendung die Einschwingzeit oder die Schaltgeschwindigkeit der kritische Parameter für die Gewährleistung der Messgenauigkeit wird.

Einfügedämpfung

Neben der richtigen Frequenzauswahl ist die Einfügungsdämpfung für das Testen entscheidend. Verluste von mehr als 1 oder 2 dB dämpfen Spitzensignalpegel und verlängern die Zeiten ansteigender und abfallender Flanken. Ein System mit niedriger Einfügedämpfung kann durch Minimieren der Anzahl von Anschlüssen und Durchgangswegen oder durch Auswahl von Geräten mit niedriger Einfügedämpfung für die Systemkonfiguration erreicht werden. Da Strom bei höheren Frequenzen teuer ist, bieten elektromechanische Schalter den geringstmöglichen Verlust entlang des Übertragungsweges.

Rückflussdämpfung

Rückflussdämpfung wird durch Impedanzfehlanpassung zwischen Schaltungen verursacht. Bei Mikrowellenfrequenzen spielen die Materialeigenschaften sowie die Abmessungen eines Netzelements eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Impedanzanpassung oder Fehlanpassung, die durch den verteilten Effekt verursacht wird. Switches mit hervorragender Rückflussdämpfung sorgen für eine optimale Leistungsübertragung durch den Switch und das gesamte Netzwerk.

Wiederholbarkeit

Eine niedrige Wiederholbarkeit der Einfügungsdämpfung reduziert Quellen von zufälligen Fehlern im Messpfad, was die Messgenauigkeit verbessert. Die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit eines Schalters garantiert Messgenauigkeit und kann die Betriebskosten durch Reduzierung der Kalibrierzyklen und Erhöhung der Betriebszeit des Prüfsystems senken.

Isolation

Isolation ist der Grad der Dämpfung eines unerwünschten Signals, das am interessierenden Port erkannt wird. Isolation wird bei höheren Frequenzen wichtiger. Eine hohe Isolation reduziert den Einfluss von Signalen von anderen Kanälen, erhält die Integrität des gemessenen Signals und verringert die Messunsicherheiten des Systems. Beispielsweise muss eine HF-Schaltmatrix möglicherweise ein Signal zur Messung bei –70 dBm an einen Spektrumanalysator und gleichzeitig ein weiteres Signal bei +20 dBm routen. In diesem Fall behalten Schalter mit hoher Isolation von 90 dB oder mehr die Messintegrität des Niedrigleistungssignals bei.

Schaltgeschwindigkeit

Die Schaltgeschwindigkeit ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, um den Zustand eines Switch-Ports (Arm) von "ON" auf "OFF" oder von "OFF" auf "ON" zu ändern.

Einschwingzeit

Da die Schaltzeit nur einen Endwert von 90 % des Einschwing-/Endwerts des HF-Signals angibt, wird die Einschwingzeit oft bei der Leistung von Halbleiterschaltern hervorgehoben, bei denen Genauigkeit und Präzision wichtiger sind. Die Einschwingzeit wird auf einen Wert gemessen, der näher am Endwert liegt. Der weit verbreitete Rand-zu-Endwert der Einschwingzeit beträgt 0,01 dB (99,77 % des Endwerts) und 0,05 dB (98,86 % des Endwerts). Diese Spezifikation wird häufig für GaAs- FET- Schalter verwendet, da sie einen Gate-Lag-Effekt haben, der durch Elektronen verursacht wird, die auf der Oberfläche des GaAs eingefangen werden.

Belastbarkeit

Die Belastbarkeit definiert die Fähigkeit eines Schalters, mit Strom umzugehen, und hängt stark von der Konstruktion und den verwendeten Materialien ab. Es gibt unterschiedliche Belastbarkeitswerte für Schalter, wie z. B. heißes Schalten, kaltes Schalten, durchschnittliche Leistung und Spitzenleistung. Hot Switching tritt auf, wenn an den Ports des Switchings zum Zeitpunkt des Switchings HF-/Mikrowellenleistung vorhanden ist. Kaltschalten tritt auf, wenn die Signalspannung vor dem Schalten unterbrochen wird. Kaltschalten führt zu geringerer Kontaktbelastung und längerer Lebensdauer.

Beendigung

Ein 50-Ohm-Lastabschluss ist in vielen Anwendungen kritisch, da jede offene ungenutzte Übertragungsleitung die Möglichkeit hat, mitzuschwingen. Dies ist wichtig, wenn Sie ein System entwerfen, das bis zu 26 GHz oder höhere Frequenzen arbeitet, bei denen die Schalterisolation erheblich abfällt. Wenn der Schalter an ein aktives Gerät angeschlossen ist, kann die reflektierte Leistung eines nicht abgeschlossenen Pfads möglicherweise die Quelle beschädigen.

Elektromechanische Schalter werden als abgeschlossen oder nicht abgeschlossen kategorisiert. Abgeschlossene Schalter: Wenn ein ausgewählter Pfad geschlossen wird, werden alle anderen Pfade mit 50-Ohm-Lasten abgeschlossen und der Strom zu allen Magnetspulen wird unterbrochen. Nicht abgeschlossene Schalter reflektieren Strom.
Halbleiterschalter werden als absorbierend oder reflektierend kategorisiert. Absorptionsschalter enthalten einen 50-Ohm-Abschluss in jedem der Ausgangsports, um sowohl im AUS- als auch im EIN- Zustand ein niedriges VSWR zu bieten . Reflektierende Schalter leiten HF-Leistung, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, und reflektieren HF-Leistung, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.

Videoleckage

Video-Leckage bezieht sich auf die an den HF-Ports des Schalters vorhandenen Störsignale, wenn dieser geschaltet wird, ohne dass ein HF-Signal vorhanden ist. Diese Signale ergeben sich aus den vom Schaltertreiber erzeugten Wellenformen und insbesondere aus der ansteigenden Spannungsspitze, die für das Hochgeschwindigkeitsschalten von PIN-Dioden erforderlich ist. Die Amplitude des Videolecks hängt von der Konstruktion des Schalters und des Schaltertreibers ab.

Lebensdauer

Eine lange Betriebsdauer senkt die Kosten pro Zyklus und reduziert Budgetbeschränkungen, wodurch Hersteller wettbewerbsfähiger werden können.

Siehe auch

Verweise

Externe Links