射频继电器的频域和时域测量

在测试频率响应超过 100 MHz 的任何元件时，最重要的是要有一台高性能网络分析仪以及精心设计的测试夹具——这些夹具需同时满足校准和实际测试需求。时域测试也是如此。在测量上升时间特性时，必须注意上升时间脉冲可能存在的过冲与下冲现象，可能会对信号质量产生不利影响。

测试夹具的设计需从高频板材选型及匹配的SMA连接器开始。适用材料包括FR-4、G-Tech系列以及多款罗杰斯PCB板材。许多工程师认为FR-4材料可通过夹具校准过程补偿其高频损耗特性，因此常被采用。一般而言，6GHz以下频率使用FR-4尚可接受；若测试频率超过6GHz，采用罗杰斯高频电路材料（如RO3203或RO4350）将显著提升测试性能。罗杰斯还提供其他多种材料，可根据元器件的热膨胀系数匹配需求或特定性能要求进行选择，这些材料大多采用陶瓷填充工艺。

图6、7、8、9分别展示了校准板的布局设计：短路接地校准件、开路校准件、直通传输线校准件、50欧姆阻抗终端校准件，以及用于测试器件的实际布局。设计中尽可能增加了接地点的数量，同时避免了锐角转角。所有信号路径的过渡都采用了尽可能平缓的设计。

校准测试完成后，我们采用安捷伦8720ES型网络分析仪（测试布局见图4）按以下流程进行测试：

将所有校准板数据录入网络分析仪并存储。随后对被测继电器进行测量并存储数据。通过导入校准数据，可提取不同配置下电路板的固有损耗，从而获得下图所示的测试结果。该结果与采用等效电路模型和S参数的MIMICAD程序仿真数据进行了对比，两者呈现出高度一致性。

以下展示网络分析仪实测数据结果，包括隔离度、插入损耗和电压驻波比。另附史密斯圆图，显示整个频率范围内特定频率点对应的阻抗特性。

夹具设计

明确测试夹具的具体几何结构是首要关键步骤。以下列出四种常用几何结构及其对应的特性阻抗计算公式。

_Zo= 60/(√ (_εr)) ln ((2h)/d)
公式 #5（同轴电缆结构）

式中 h 与 d 为前述定义的几何尺寸，εr 为导体间填充材料的介电常数。

_Zo= 60/(√ (_εr)) ln ((_4hkp)/d)
公式 #6（对于地面上的圆导线） 对于地面上的圆导线

这里_kp是地线上圆导线的邻近系数，当比率 h/d 较大时，该系数接近于一；但当间距较近时，该系数约为

_kp= ½ + (√ (4h2 – d2))/4h
公式 #7

当圆导线在 d = 2h 处接触地面时，_kp将减小为 ½。邻近效应产生的机理与趋肤效应相同。相互排斥力会将同类电流驱向电流方向相反的单个导体的最外缘。这使得圆导线中的电流向离接地最近的一侧聚集。在信号通过继电器时，由于圆形中心导体的整个表面与屏蔽层的距离相同，因此同轴线的邻近效应和集肤效应是无法区分的。细矩形导体通常不考虑邻近效应，但趋肤效应会将电流推向导体边缘。

_Zo= 60/(√ (_εr)) ln ((5.98h)/(0.8w + t))
公式 #8（埋地微带过地）

_Zo= 60/(√ (_εr)) ln (3.8(h +0.5t)/(0.8w + t))
等式 #9（地平面之间的带状线）

测试设置和测试夹具

正确使用测试夹具是正确测试射频电路中元件的关键。

校准方法至关重要

我们构建了专用校准板夹具，以更精准地表征继电器性能。所有用于测试被测继电器的夹具板均采用SMA连接器，实现与测试设备及终端负载的连接。测试板的构成如下：

• 采用 50 欧姆线路和开放式终端校准的 RUT
• 采用 50 欧姆线路和短路终端校准的 RUT
• 采用 50 欧姆线路和 50 欧姆终端校准的 RUT
• 采用 50 欧姆直通线校准的 RUT

插入损耗

如前所述，插入损耗是指信号通过继电器时的功率损耗。在射频领域，插入损耗是最重要的测量指标之一，因为它直接反映了信号通过元件（干簧继电器）时的损耗程度，最小化这种损耗是设计的关键目标。

首先，从图10可以清晰看出，该继电器在7吉赫兹以下频段的插入损耗表现优异。如图所示，插入损耗曲线非常平坦，直至7吉赫兹才开始衰减。这明确表明无论是数字信号还是模拟信号，在通过这款CRF陶瓷干簧继电器进行切换传输时都能保持良好性能。若使用半导体器件作为开关元件，有时可能产生互调失真，导致频率响应畸变。而干簧继电器作为无源器件，不存在互调失真问题，因而能在高达7吉赫兹的频率范围内保持极其平坦的插入损耗特性。这种平坦的插入损耗特性使得用户能够用同一开关处理多种不同频率信号或不同宽度的数字脉冲，无需为不同频率配置专用开关器件。

铜线插入损耗

随着频率不断升高，有一种观点认为干簧继电器因使用镍/铁材料作为中心导体，其高频性能可能不佳。肤肤效应常被认为是主要原因，因为镍和铁作为铁磁材料具有高磁导率μ。然而图11的测试结果推翻了这一假设——该测试将图9中的干簧开关替换为纯铜导线进行对比。

对比图10与图11，可见两者差异极小甚至可忽略不计。虽然在高功率传输条件下可能出现差异，但在多数实际应用中，被切换的功率通常很低，因此在高达7吉赫兹的频率范围内，这种差异影响可忽略不计。

驻波比

电压驻波比反映了驻波对功率传输的影响。当传输线上存在驻波时，部分功率会被反射回线路，并从信号源再次反射。这种反复反射形成驻波，由于持续存在并不断吸收功率，会干扰信号源原始信号的传输。图12展示了干簧继电器的电压驻波比特性。虽然对于模拟连续波分析而言，电压驻波比仍是重要的射频特性参数，但在射频性能评估中，插入损耗通常更受关注。

隔离

隔离度是指元件阻止射频信号在电路中继续传播的能力。对干簧继电器而言，隔离度衡量的是其在断开状态下阻断信号继续传输的能力。我们通常认为开关处于断开状态时信号无法通过断开触点，但在射频领域，断开电路并非完全开路——触点间的电容会形成泄漏路径；事实上在足够高的频率下，这种情况必然发生。如图13所示，在低频射频段隔离度可达-50分贝或更低，但在3吉赫兹时降至-15分贝，到7吉赫兹时继续降至-10分贝。导致隔离度下降的主要因素是触点间距。增大干簧开关的触点间距非常困难，因为这需要更大的封装管壳，从而增加器件尺寸。同时，更大的间距会降低开关闭合灵敏度，需要更强的线圈驱动功率。若应用中隔离度是关键参数，可采用多级干簧继电器串联方案。此外，使用T型开关或半T型开关结构也能显著提升隔离性能。

回波损耗

回波损耗同样是射频参数之一，但其使用频率不如插入损耗或隔离度广泛。如前所述，它衡量的是射频信号被反射回信号源的功率大小。如图14所示，在较低频率下回波损耗仅反射35分贝信号，在6.5吉赫兹时反射信号约10分贝。此处分贝值越大，代表被反射的信号比例越低。

特性阻抗

要从继电器的特性阻抗测量中获得最多信息，最好在信号通过继电器时对信号的某些点进行测量。由于这种测量是空间测量，因此可以测量继电器各点的实际阻抗。参考点如下，如图 #15 所示：

• 继电器前的短路点确定信号何时进入继电器
• 断开的触点定义信号到继电器中间的路径
• 闭合触点定义信号路径至继电器末端
• 继电器短路时的闭合触点
• 继电器闭合触点的端接电阻为 50 欧姆

将这五条轨迹叠加在继电器实际传输轨迹上，可清晰观测到继电器各位置点的特性阻抗全貌。这种方法特别有价值——尤其是当继电器或元件阻抗略微偏离50欧姆时。如图15轨迹所示，该继电器阻抗略高于50欧姆。轨迹偏高表明信号进出继电器时存在轻微感性。通过在继电器两端添加适量电容进行补偿，可将阻抗调整至目标值。这将提升继电器在特定电路中的性能，同时增强其在高频射频段的工作表现。

史密斯图

• 1 – 继电器前短路
• 2 – 开路触点
• 3 – 触点闭合
• 4 – 闭合触点 – 短路
• 5 – 触点闭合 – 50 欧姆

若在特定应用或特定频率下需要考察不同射频频率的特性，史密斯圆图能直观展示给定频率范围内的特性阻抗变化。如图16所示，该史密斯圆图呈现了以50千赫为间隔、直至4吉赫的频率响应轨迹。这些轨迹点密集环绕在50欧姆实部点周围。为了更好地理解该圆图：从大圆右侧中心点开始的第二个虚线圆环代表50欧姆阻抗圆；水平穿过圆心的轴线为实轴；轨迹点分布于实轴上方表示感性，下方表示容性。如图所示，CRF继电器的轨迹点紧密环绕实轴分布，且中心与50欧姆阻抗圆基本重合。

.