射頻（RF）、微波和毫米波開關及開關矩陣具有多種重要功能，包括：

• 控制頻率、功率、各種電路參數以及電路配置；

• 調制信號的相位、幅度和頻率；

• 實現天線收發雙工；

• 切換到備用（自動切換冗余）單元和數據傳輸通道；

• 控制天線陣列的波束形成、掃描方向及其他參數；

• 連接測試信號和測量設備以完成自動化測量；

• 對信號源、移相器、衰減器、延遲線進行數字控制；

• 將多種輸入端口連接到多個輸出端口中的任意一個端口。

  其應用場景各不相同，例如在功率水平、頻率、所需切換速度、同時切換電路的數量和配置、外部環境、控制信號以及封裝形式等方面存在差異。因此，開關元件和技術種類繁多。

基本原理

在微波領域，開關的開發需要考慮輸入和輸出線路或端口的信號參數（如功率、幅度、相位、噪聲），這些參數會影響相鄰單元在導通和關斷狀態下的功能（見圖 1）。

圖 1. 開關速度參數

這些參數在開關從導通狀態切換到關斷狀態，以及從關斷狀態切換到導通狀態的過程中會發生變化。上升時間 Trise 是指射頻信號從導通電平的 10% 上升到 90% 所需的時間。下降時間 Tfall 是指射頻信號從導通電平的 90% 下降到 10% 所需的時間。導通時間 Ton 是指從控制脈沖的 50% 到導通電平的 90% 的時間間隔。關斷時間 Toff 是指從控制脈沖的 50% 到導通電平的 10% 的時間間隔。理想的開關應具有零 Ton 和 Toff（即零延遲以及零上升和下降時間），除了在輸出端對輸入信號進行導通或關斷控制外，不會對輸入信號產生瞬態振蕩或失真。

根據開關技術和開關結構的不同，導通和關斷狀態之間的瞬態間隔可能具有不理想的振蕩特性。例如，在機械繼電器開關中，輸出信號邊沿的時間位置相對于控制信號的邊沿位置可能會以阻尼振蕩的方式延遲。這主要由三個因素導致：

1）線圈中的電感延遲；

2）觸點物理移動所需的時間；

3）射頻觸點的彈跳時間。

即使是最簡單的微波單刀單擲（SPST）開關，也可能出現其他干擾現象。這歸因于輸入或輸出對頻率相關的射頻反射的響應、開關時刻與振蕩相位的不一致、高階傳輸線模式的出現、電路 S 參數對入射功率水平的依賴、瞬態的振蕩特性以及開關內部輸入信號的非線性變換。
更復雜的開關在端口數量和位置上有所不同。對于多位置和矩陣開關，可以用多端口網絡來描述，即：

（1）其中，[B] 和 [A] 分別是輸出和輸入電路的矩陣，[S] 是維度為 m×n 的散射（傳輸）矩陣，m 是輸入端口的數量，n 是輸出端口的數量。

公式（1）表示正弦信號通過具有已知入射和反射波參數的線性電路的理想化模型。在每個信號頻率下，公式（1）中的矩陣系數由開關的配置、尺寸和內部結構決定。制造商通常會提供等效電路用于性能建模。為了評估高次諧波信號對信號頻譜的影響，該等效電路應能較好地描述高于工作頻率幾倍的頻率下的行為。

對于具有歐姆接觸的開關，其導通狀態下帶寬的下限頻率是直流（DC）。電容式開關不能通過直流。導通狀態下的上限頻率由引入傳輸損耗的寄生電路參數決定。在關斷狀態下，上限頻率由寄生電容或隔離不良決定，寄生電容或隔離不良會導致輸入和輸出電路之間傳輸不需要的信號，同時還存在歐姆損耗。

大多數開關架構是互易的，其正向和反向傳輸特性相同；然而，一些開關型號，例如使用鐵氧體或嵌入式放大器（即非互易元件）的開關，其輸入和輸出端口不能互換。

在大型開關矩陣中同時切換多個輸入和輸出端口時，需要確定各種初始狀態、最終狀態以及信號路徑。為了減少給定組合的數量，通常會使用定制軟件。

每個端口在導通和關斷狀態以及轉換過程中的匹配條件變化非常重要，因為這可能會導致電路性能不佳。在這方面，開關電路可能會設計得較為復雜，以盡量減少開關瞬態的影響，并確保將匹配負載連接到開路端口。
開關的功率處理能力和使用壽命有限，這取決于開關原理、制造技術、材料以及應用場景。例如，在沒有入射射頻（即 “冷切換”）的情況下進行切換，對開關的壓力較小，可靠性更高，生命周期更長；而增加切換電流會降低可靠性和縮短使用壽命。

分類與參數

射頻、微波和毫米波開關具有多種特性、配置和結構組合。根據開關配置，可以分為雙位置、多位置和矩陣開關。圖 2 展示了不同的類型。其基本功能是接通和斷開高頻電流流過的電路觸點。

圖 2. 開關配置：單刀單擲（a）、雙刀單擲（b）、單刀雙擲（c）、雙刀雙擲（d）；旋轉轉換 3x120 [1 - 2; 3 - 4; 5 - 6 或 2 - 3; 4 - 5; 1 - 6]（e）、旋轉三位置開關 [1 - 3 或 1 - 4; 2 - 3 或 2 - 4]（f）以及單刀四擲（g）

最簡單的機械單刀單擲（SPST）開關有兩個端子，可以連接或斷開（見圖 2a）。如果帶有兩個用于線圈的端子（如繼電器），則總共有四個端子。當繼電器未通電時，觸點可以是常開或常閉的。增加一個輸出端就變成了單刀雙擲（SPDT）開關；一個輸出端導通，另一個輸出端關斷（見圖 2b）。這種結構可以擴展到任意數量的輸出端口（即 SPNT），其中一個端口導通，其他端口關斷。雙刀雙擲（DPDT）開關有兩對端子（端口），相當于由單個線圈驅動的兩個 SPST 開關或繼電器（見圖 2c）。旋轉轉換開關是雙位置開關的一種變體，其轉子能夠在兩個正交位置之一進行旋轉定向，如圖 2d 所示。在轉子的第一個位置，端子（端口）1 和 2 以及 3 和 4 連接；在第二個位置，2 和 3 以及 1 和 4 連接。這種電路可用于插入或旁路放大器、改變天線在發射和接收（Tx/Rx）之間的連接，或者將兩個微波發射器連接到兩個備用天線。圖 2e 所示的具有三個間隔為 + 120 度觸點的類似電路適用于波導實現。為了增加 SPNT 開關的位置數量 N，可以組合更簡單的電路（見圖 3）。

圖 3. SP16T 扇出開關的電氣框圖

開關可以通過機電（包括簧片）繼電器、固態繼電器、微機電系統（MEMS）、非互易（如鐵氧體）元件實現，也可以手動操作或通過可編程電路實現。繼電器是一種電動操作開關，用于需要用低功率信號控制高功率電路的場合。在機電繼電器中，通過電磁鐵和射頻電路外部的機械機構實現連接 / 斷開。簧片繼電器中使用真空密封觸點，借助外部靜磁場實現連接 / 斷開，其開關機構和射頻導體是一體的。在固態繼電器中，利用輸入和輸出端口之間的電阻來實現開關功能。這可以通過根據特定技術（如 PIN 二極管、砷化鎵場效應晶體管）和特定電路結構連接（吸收式、反射式）改變半導體中的偏置電壓來實現。在 MEMS 開關中，芯片表面形成一個微觀的機械導電帶，一端懸在觸點上方。這個機械致動器在受控靜電力的作用下移動，以連接輸入和輸出電路。通常，非互易鐵氧體開關是指那些改變磁場方向的開關。手動控制的開關通常用于測量和校準設備中。對于可編程開關，其狀態由數字控制單元的編碼信號控制。

故障安全模式是指開關在施加驅動電壓時切換到閉合位置，并且在電壓移除時始終返回到預定位置。這通常通過驅動機構中的復位彈簧來實現。

鎖存繼電器有兩個松弛（雙穩態）狀態。當驅動電壓移除或中斷時，開關保持在預選位置，直到施加電壓使其移動到另一個位置。這可以通過磁性或機械鎖存機構來實現。

常開（NO）或 “按鈕接通” 模式是指開關的所有輸出端口在施加電壓以保持選定位置之前都與輸入端口斷開連接。電壓移除后，開關返回開路位置。極化繼電器在控制信號斷開后保持在最后一個穩定位置。常閉（NC）或 “按鈕斷開” 模式可以根據電路狀態來區分。同時具有這兩種觸點的開關稱為轉換開關。

終端匹配和非終端匹配的開關模式根據開路的負載情況不同而有所區別。終端匹配的開關在其結構中每個輸出端口都包含一個內部匹配負載，確保在關斷和導通狀態下電壓駐波比（VSWR）都較低（即導通狀態的端口與連接電路匹配，關斷狀態的端口與內部負載匹配）。

自切斷功能是指在開關動作后切斷致動器電流。可以通過與致動器相連的串聯觸點或 IC 驅動電路來實現切斷。此功能可將功耗降至最低。脈沖鎖存有時用于描述不具備此功能的開關。

阻塞矩陣開關在輸入和輸出端都有開關。因此，每個輸入信號都可以切換到一個單獨的輸出端口。阻塞開關矩陣的一個應用示例是無線電和天線系統，其中每個無線電設備都連接到一個特定的天線。如果應用需要一個輸入同時連接到多個輸出，則使用非阻塞矩陣。非阻塞開關矩陣用于多輸入多輸出（MIMO）收發器和衛星站接收器等應用中。

全扇入和 / 或全扇出矩陣的特點是具有與上游和下游端口的完整連接組合。矩陣的通道間串擾用于衡量高頻信號從一個通道泄漏到另一個通道的程度。它是通道之間的雜散電容、互感和泄漏電阻共同作用的結果。

低功率、中功率和高功率開關根據切換功率的水平進行區分。

指示器用于告知系統開關所處的位置。指示器通常是一組與致動器相連的內部安裝直流觸點。

參數

以下是一些重要的性能參數：

• 工作頻段：通常由輸入頻率的邊界值定義，在導通狀態下，當頻率達到該邊界值時，損耗會增加 3dB；導通狀態下的插入損耗（IL）以分貝為單位表示。

• 各狀態下的電壓駐波比（VSWR） 。

• 關斷電路的隔離度（以分貝為單位） ：是輸入信號電平與輸出信號電平的比值。隔離度以分貝表示，是一個正數。

• 輸入信號的功率處理能力 Pmax ：默認情況下，Pmax 是指在導通狀態下，當輸入信號功率達到該值時，信號損耗會增加 1dB。在微波接觸式開關中，輸入信號的最大功率處理能力可能受到電弧和觸點發熱的限制。在固態開關中，開關功率的限制與半導體材料有源區的阻抗變化有關，該變化取決于瞬時電壓（偏置電壓和高頻電壓之和）。隨著輸入功率的增加，通過信號的非線性失真可能會增大。在空間應用中，射頻開關、放大器和波導功率處理能力受限的一個原因是微放電效應，即二次電子發射，它可能導致設備故障。

• 微波開關的生命周期 ：主要由開關區域的技術和功能布局決定。例如，在機電開關中，觸點的耐磨性能可能取決于切換是在低輸入射頻功率水平（冷切換）還是高功率水平（熱切換）下進行。固態開關的生命周期要長得多，關鍵參數不會有明顯的退化。

• 信號群延遲 。

• 控制信號的類型、電平及極性 ，例如晶體管 - 晶體管邏輯（TTL）、發射極耦合邏輯（ECL）。

• 工作溫度 ：通常為 - 40°C 至 + 85°C。

• 無源互調（PIM）或無源互調失真 ：是指在具有非線性的系統中，包含兩個或更多不同頻率的信號發生的不需要的幅度調制。PIM 產物是由鐵磁材料、不同金屬的結、金屬 - 氧化物結、污染結和松動連接器引起的至少兩個高功率信號混合的結果。測試無源器件時，典型的輸入功率電平為 + 43dBm，如果允許的 PIM 為 - 120dBm，則產生的 PIM 電平為 - 163dBc。常見的三階互調為 - 110dBc，低電平為 - 160dBc。

開關和矩陣的通用規范和測試方法在 MIL-DTL-55041 中進行了定義。

固態開關和矩陣

固態開關具有機電繼電器的功能，但沒有移動部件，從而提高了長期可靠性。固態開關還利用大規模半導體組裝和自動化技術，降低了成本；并且它們占用的空間更小（晶體管處于微觀級別），這有助于緊湊型系統的設計。
固態開關的特性在很大程度上取決于開關半導體元件的類型，例如正 - 本征 - 負（PIN）二極管、砷化鎵（GaAs）或氮化鎵（GaN）晶體管技術以及肖特基二極管。

開關信號的最高頻率 fmax、功率處理能力和開關速度是決定其性能優勢的主要工程參數。最高頻率由半導體結構的特性決定。許多制造商用兩個主要參數來表征固態開關的輸入微波信號功率 Pmax：P1dB 和 PIP3。P1dB 是指傳輸函數相對于小信號值下降 1dB 時的輸入功率。PIP3 是指兩個等電平正弦信號 f1 和 f2 之和形式的測試信號的高頻功率，在該功率下，輸出中不需要的三階組合產物（2f1 - f2 和 f1 - 2f2）的電平等于頻率為 f1 和 f2 的信號電平。PIP3 的值越高，表明開關在導通狀態下處理更高輸入功率且輸出失真更小的能力越強。PIN 二極管開關的 PIP3 值比 P1dB 高 5 至 10dB。場效應砷化鎵晶體管可將這一差值提高到 20 至 25dB。

圖 4. 各種開關配置示意圖：串聯（a）、并聯（b）和串并聯（c）

固態開關可以串聯、并聯或組合連接（見圖 4），這些器件的電阻會根據偏置情況達到最大值或最小值。許多制造商都提供射頻、微波和毫米波范圍內的固態開關和矩陣。

PIN 二極管開關

使用 PIN 二極管的開關設計可以采用并聯、串聯或復合拓撲結構。在射頻及更高頻率下，無論是采用并聯還是串聯方式，單個 PIN 二極管通常很難實現超過 40dB 的隔離度。PIN 二極管可以設計用于高功率（幾十到幾百瓦）和多倍頻程帶寬的應用；然而，其代價是更高的損耗和更低的隔離度。

表 1 展示了一些采用 PIN 二極管技術的開關型號的典型參數。

圖 5. PIN 單刀 24 擲開關型號 PSW24 - 0618 - 13 - 11（圖片由 Paciwave Inc. 提供）

它們在物理結構、架構（例如從單刀單擲到單刀 36 擲）、工作頻率（0.1 至 40GHz）、吸收式與反射式配置、功率處理能力和開關時間等方面存在差異。圖 5 展示了一款 6 至 18GHz 的 PIN 二極管單刀 24 擲開關的外觀。它的隔離度為 60dB，插入損耗為 10dB，開關速度為 30ns，平均功率處理能力為 100mW，峰值功率為 2W。

場效應晶體管 / 砷化鎵開關

圖 6. 場效應晶體管開關的典型框圖

開關場效應晶體管（FET）是一種三端口器件（見圖 6），源極和漏極端口之間的通道形成射頻信號的傳導路徑，柵極端口控制信號是否通過。在柵極和通道之間施加直流控制電壓即可實現此功能。與 PIN 二極管開關相比，場效應晶體管開關的帶寬相對較窄、功率水平較低（小于 1W）、損耗更低（小于 0.8dB）且隔離度更高。
固態開關制造商采用專利解決方案來設計驅動器（用于將 TTL 或 CMOS 輸入電壓轉換為砷化鎵場效應晶體管開關所需的互補驅動信號的邏輯電路，以達到合適的工作速度）。砷化鎵場效應晶體管驅動電路中有三個基本元件：TTL 輸入緩沖部分、電壓轉換器和互補輸出緩沖級（見圖 7）。獨立的驅動器 IC 能夠使性能與需求相匹配，例如實現控制特性的線性化。嵌入 IC 的驅動器可實現最小尺寸和最低電流消耗。

     圖 7. 砷化鎵場效應晶體管開關驅動器框圖（圖片由 M/A - COM 微電子部門提供）

表二展示了采用砷化鎵技術的單片微波集成電路（MMIC）固態開關的一些參數。使用氮化鎵技術的固態開關在高開關速度、高開關功率、良好的關斷狀態隔離以及低導通狀態損耗方面具有很大的發展潛力。