Зачем переключатель в СВЧ-тракте
Переключатель соединяет вход с одним из выходов или меняет местами пары линий. В измерительных стендах он подключает к анализатору десятки портов испытуемого устройства без перекладывания кабелей. В системах связи переключает резервный усилитель или антенну, в радарах — приём и передачу, в имитаторах — каналы сигнала. От переключателя требуют малых потерь, высокой развязки выключенных направлений и повторяемости от переключения к переключению.
Название говорит о схеме: P — полюс, T — направление. SP4T — один полюс на четыре направления, DPDT — два полюса на два направления, его ещё называют транзферным.
Две технологии
Электромеханический переключатель двигает настоящий контакт — ножку, которая замыкает отрезок коаксиальной линии. Его потери минимальны, развязка высокая, а в разомкнутом состоянии линия физически разорвана. Переключатель на pin-диодах не имеет движущихся частей: диоды открываются и закрываются током смещения, и переключение занимает наносекунды.
Pin-переключатели каталога переключаются за 12–3500 нс, электромеханические — за 15 мс.
| Параметр | Электромеханический | На pin-диодах |
|---|---|---|
| Время переключения | миллисекунды | от десятков наносекунд до единиц микросекунд |
| Вносимые потери | 0,2–0,8 дБ до 18 ГГц | 1–5 дБ, растут с числом направлений |
| Развязка | 60–80 дБ | 40–80 дБ |
| Ресурс | миллионы переключений | практически не ограничен |
| Мощность | до сотен ватт | обычно до 1–3 Вт |
| Линейность | нет нелинейных элементов | диоды дают интермодуляцию |
| Нижняя частота | от постоянного тока | от единиц — сотен мегагерц |
Отсюда простое правило. Если переключать нужно редко, а важны потери, мощность и работа от постоянного тока — электромеханический. Если быстро и часто — pin-диодный: миллион переключений он сделает за секунду, а электромеханический за это время выработал бы весь ресурс.
Электромеханические переключатели
В каталоге — от SPDT до SP12T, DPDT и 2P3T с разъёмами N, SMA, 2,92, 2,4 и 1,0 мм. Самый широкополосный работает до 110 ГГц. Потери и развязка задаются ступенями по диапазонам:
Ступени из таблицы модели: на каждом участке частот — потери не более и развязка не менее указанного.
Верхнюю частоту переключателя задаёт серия разъёмов: в каталоге N — до 12,4 ГГц, SMA — до 18 ГГц, 2,92 мм — до 40 ГГц, 2,4 мм — до 50 ГГц, 1,0 мм — до 110 ГГц. Для телевизионных и кабельных сетей есть отдельные переключатели на 75 Ом с разъёмами F и BNC до 3 ГГц, а для мощных трактов — ручные переключатели и сборки высокой мощности с разъёмами N.
Тип привода
Нормально разомкнутый переключатель держит положение, пока подано напряжение, и возвращается при его снятии. С фиксацией (латчинг) — остаётся в последнем положении без питания: не потребляет ток и не теряет состояние при сбое питания, что важно для резервирования. Индикаторные контакты сообщают системе, в каком положении переключатель, а TTL-управление упрощает подключение к контроллеру.
Катушки электромеханических переключателей каталога рассчитаны на +12, +24 или +28 В — под стандартные шины питания стоек и бортовой аппаратуры. Питание и управление выведены на разъём или на штыревые выводы; для переключателей с фиксацией импульс подают только на время переключения.
Согласованная нагрузка
В многопозиционных переключателях выключенные выходы бывают разомкнуты или нагружены на 50 Ом. Нагруженные нужны, когда к выходу подключён усилитель или источник: открытый порт отражает мощность обратно и может вывести усилитель из строя.
Переключатели на pin-диодах
Pin-переключатель в открытом направлении пропускает сигнал через открытые диоды, в закрытых — шунтирует линию закрытыми или открытыми диодами на землю. Каждое добавленное направление добавляет диоды и разветвление, поэтому потери растут с числом выходов. Медианы по моделям каталога до 20 ГГц:
| Схема | Моделей | Потери, дБ (медиана) | Развязка, дБ (медиана) |
|---|---|---|---|
| SPST | 18 | 2,5 | 80 |
| SPDT | 125 | 2,5 | 65 |
| SP3T | 35 | 2,8 | 80 |
| SP4T | 33 | 2,6 | 80 |
| SP5T | 48 | 2,5 | 70 |
| SP6T | 40 | 3,2 | 65 |
| SP8T | 23 | 4,0 | 80 |
| SP16T | 22 | 6,1 | 80 |
Отражающий или поглощающий
Отражающий pin-переключатель в выключенном направлении отражает сигнал обратно, поглощающий — принимает его на встроенную нагрузку 50 Ом. Поглощающий нужен, когда отражение мешает: на выходе генератора, перед усилителем, в измерительных стендах. Отражающий проще, его потери немного ниже.
По таблице видно, как растут потери: у схем до SP5T медиана около 2,5 дБ, у SP8T — 4 дБ, у SP16T — около 6 дБ. Если нужно много выходов с малыми потерями, выгоднее каскад из нескольких переключателей меньшей кратности или электромеханическая модель с потерями меньше 1 дБ.
Мощность и видеоимпульсы. Pin-переключатель выдерживает единицы ватт. При переключении управляющий ток даёт короткий видеоимпульс на выходе — для чувствительных входов его учитывают или гасят фильтром.
Переключатели в измерительном стенде
Типичная задача: проверить восьмиканальный приёмник одним анализатором цепей. Два переключателя SP8T подключают анализатор по очереди к каждому каналу, программа перебирает положения и снимает S-параметры. Потери и фазу самих переключателей исключают калибровкой через каждое положение, поэтому здесь важна повторяемость. Если каналов больше или нужны произвольные пары вход — выход, вместо отдельных переключателей ставят матрицу.
Горячая и холодная коммутация
Электромеханический переключатель выдерживает сотни ватт, пока контакт неподвижен. В момент размыкания под мощностью между контактами проскакивает дуга, и они обгорают. Поэтому в паспорте различают мощность при холодной коммутации — сигнал снимают перед переключением — и при горячей, когда переключают под нагрузкой. Горячая всегда заметно меньше. В передающих трактах сначала снимают мощность, переключают, потом подают снова.
Повторяемость и ресурс
Для измерительных стендов важна повторяемость: насколько одинаковы потери и фаза при каждом замыкании. У хороших электромеханических переключателей разброс потерь — сотые доли дБ, и калибровку анализатора можно делать через переключатель. Ресурс — от миллиона до десяти миллионов переключений; для стенда, который переключает сто раз в минуту круглосуточно, это от недели до пары месяцев. Для таких режимов берут pin-диодные переключатели или матрицы с твердотельными ключами.
Управление pin-переключателем
Pin-диод открывается прямым током и закрывается обратным напряжением. Драйвер переводит логический сигнал в эти токи и напряжения, и от его скорости зависит время переключения. Модули со встроенным драйвером управляются логическим сигналом, и внешняя схема не нужна — интерфейс уточняйте для конкретной модели. При выборе смотрите не только на время переключения, но и на время установления: за ним следуют переходные процессы, пока потери не выйдут на паспортное значение.
Твердотельные ключи на транзисторах
Кроме pin-диодов, существуют переключатели на полевых транзисторах — GaAs, GaN и КМОП на изоляторе. Они почти не потребляют ток управления и хорошо подходят для интегральных схем и модулей. На низких частотах транзисторные ключи удобнее pin-диодов, на высоких мощностях и частотах pin-диоды пока надёжнее. Для большинства стендовых задач выбор стоит между электромеханическим и pin-диодным модулем.
Коммутационные матрицы
Когда нужно соединять много входов с многими выходами, переключатели собирают в матрицу. Матрица 8×8 позволяет подключить любой из восьми входов к любому из восьми выходов. Матрицы каталога работают от 9 кГц до 30 ГГц: их ставят в автоматизированные стенды проверки радиоаппаратуры, где одна измерительная стойка обслуживает многоканальное изделие.
Типичные ошибки
- Переключают передатчик под мощностью электромеханическим переключателем и сжигают контакты.
- Ставят отражающий pin-переключатель на выход усилителя, и отражённая мощность уходит обратно.
- Берут переключатель без фиксации для резерва и теряют положение при пропадании питания.
- Смотрят на потери на нижней частоте, а работают на верхней, где они в разы больше: сверяйте таблицу по всей полосе.
- Не учитывают ресурс: электромеханический переключатель в стенде с частыми переключениями быстро вырабатывается.
Как выбрать переключатель
- Скорость: миллисекунды — электромеханический, наносекунды и микросекунды — pin-диодный.
- Потери и развязка на рабочих частотах — смотрите ступени таблицы, а не лучшее значение.
- Мощность: для передатчиков — электромеханический, для малосигнальных трактов подойдут оба.
- Схема: SPDT, SP4T, SP8T, DPDT; для резервирования — транзферный DPDT.
- Привод и управление: с фиксацией или без, TTL, индикаторные контакты.
- Нагрузка выключенных выходов, если к ним подключены активные устройства.
- Ресурс: сколько переключений в сутки и за срок службы.
Модели KADAMM
Все переключатели и матрицы — в разделе переключателей СВЧ KADAMM.
| Частоты | до 110 ГГц |
| Моделей | 20 |
| Частоты | до 53 ГГц |
| Моделей | 9 |
| Частоты | 10 МГц – 43,5 ГГц |
| Моделей | 59 |
| Частоты | 9 кГц – 30 ГГц |
| Моделей | 2 |