一種基于PXI總線的射頻開關(guān)模塊設(shè)計(jì)

曹寧，劉軍智

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島，266555）

0 引言

為適應(yīng)電子設(shè)備性能越來越高、規(guī)模越來越大、組成越來越復(fù)雜的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，電子設(shè)備研制生產(chǎn)廠家急需研制通用性高、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，解決電子設(shè)備技術(shù)保障中的測(cè)試問題。基于PXI總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以其體積小、通用性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、易維護(hù)以及方便升級(jí)等技術(shù)特點(diǎn)，得到了軍用電子裝備研制生產(chǎn)廠家的青睞，在軍工生產(chǎn)測(cè)試領(lǐng)域得到快速推廣和應(yīng)用。PXI射頻開關(guān)模塊，是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行路由、切換的重要功能模塊，是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)通用、可擴(kuò)展、自動(dòng)化、高效率的關(guān)鍵。

本文提出了一種3U單槽小型化PXI射頻開關(guān)模塊的設(shè)計(jì)方案，通過繼電器組合搭建開關(guān)通道的形式，采用印制板傳輸線替代電纜傳輸信號(hào)的方式，配合PXI總線接口控制電路及驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)通道間的路由和切換，進(jìn)一步改善射頻開關(guān)模塊的射頻特性指標(biāo)。

1 PXI射頻開關(guān)模塊總體方案

PXI射頻開關(guān)模塊主要由PXI總線接口、FPGA邏輯控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、射頻開關(guān)電路、電源電路等部分組成，總體方案框圖如圖1所示。其中PXI總線接口實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)化。FPGA邏輯控制部分實(shí)現(xiàn)繼電器開關(guān)邏輯狀態(tài)的控制。驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)切換的所需驅(qū)動(dòng)電平的設(shè)置，射頻開關(guān)電路主要實(shí)現(xiàn)多組1選4射頻開關(guān)通道的設(shè)計(jì)。

PXI射頻開關(guān)模塊的工作流程如下：首先根據(jù)測(cè)試的要求確定開關(guān)的導(dǎo)通路徑，根據(jù)這個(gè)導(dǎo)通路徑軟件進(jìn)行相應(yīng)的控制設(shè)置，控制指令通過PXI接口送到模塊中，在模塊中經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存、驅(qū)動(dòng)電路后進(jìn)行射頻開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，完成開關(guān)的切換通道的設(shè)定工作。

圖1 PXI射頻開關(guān)模塊總體方案

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 接口及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

接口單元負(fù)責(zé)本地電路與總線之間的通信，本模塊的接口電路采用接口芯片+FPGA的方案，該方案成熟穩(wěn)定，數(shù)據(jù)速率滿足開關(guān)模塊通道切換時(shí)間的要求。接口芯片選擇PLX公司的PCI9054芯片，PCI9054是符合PCI V2.2規(guī)范的32位33MHz從者芯片， PCI猝發(fā)傳輸速度達(dá)132MB/s，支持本地總線多路復(fù)用和非多路復(fù)用32 位地址/數(shù)據(jù)協(xié)議，本地時(shí)鐘最高可達(dá)66MHz。

接口芯片接收到PXI總線的數(shù)據(jù)后，將復(fù)雜的總線數(shù)據(jù)傳輸邏輯轉(zhuǎn)化為較為簡(jiǎn)單的本地控制邏輯，使總線接口的設(shè)計(jì)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到FPGA對(duì)接口芯片的工作模式和參數(shù)的配置。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

目前主流的FPGA芯片為了實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，一般可編程I/O的電壓范圍只有3.3V±10%，而本模塊選用的射頻繼電器理想工作電壓為5V。因此需要有外部的電平轉(zhuǎn)換芯片，將FPGA輸出的信號(hào)電平，轉(zhuǎn)換到繼電器適合的電平范圍，驅(qū)動(dòng)繼電器正常工作。本模塊需要驅(qū)動(dòng)16個(gè)繼電器，這就需要驅(qū)動(dòng)芯片至少16個(gè)輸入/輸出管腳，根據(jù)以上實(shí)際的需求，選擇了Philips公司74ALVC164245作為射頻開關(guān)控制電路的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片具有16—bit雙向電平轉(zhuǎn)換功能，兼容CMOS和TTL電平，支持獨(dú)立的輸入輸出，同時(shí)還兼有電平轉(zhuǎn)換以及電流驅(qū)動(dòng)的作用。

2.3 繼電器元件選擇

繼電器芯片的選擇是開關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，繼電器的性能指標(biāo)直接影響開關(guān)模塊的性能指標(biāo)。由于雙印制板疊層后仍需滿足單槽的尺寸要求，且模塊要實(shí)現(xiàn)在駐波比和插入損耗指標(biāo)上的大幅提升，這使得繼電器的尺寸、駐波比和插入損耗指標(biāo)是繼電器的主要考察指標(biāo)，另外開關(guān)使用壽命、切換速度等也需要考慮在內(nèi)。本方案選定世界頂級(jí)繼電器品牌Tyco公司旗下的HF353射頻信號(hào)繼電器。該繼電器工作在頻段DC～3GHz時(shí)有良好的表現(xiàn)，歐翼貼裝，比其他封裝更適合印制板信號(hào)傳輸方式，尺寸小巧，符合結(jié)構(gòu)要求，器件信號(hào)管腳較為分散，便于布線。

2.4 射頻開關(guān)電路設(shè)計(jì)

本模塊需要在3U單槽空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)四組一選四射頻開關(guān)陣列的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)方案采取單電路板設(shè)計(jì)，要將大量繼電器擺放在電路板的繼電器陣列區(qū)域，單塊電路板空間有限，除去開關(guān)控制電路，能用來設(shè)計(jì)開關(guān)陣列電路的空間非常小，最后造成開關(guān)電路部分走線非常密集，繼電器的輸出只能通過電纜連接到面板上的接頭，電纜受力、焊接工藝、以及密集的布局都會(huì)影響信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致最終成品的指標(biāo)存在很多不確定因素，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)若干通道指標(biāo)無法滿足設(shè)計(jì)要求的情況。

本方案在保證單槽小型化的同時(shí)，把開關(guān)陣列單元拆分成兩塊獨(dú)立的完全相同的小開關(guān)板，合理的設(shè)計(jì)繼電器的布局，使得兩塊開關(guān)板相扣疊層時(shí)，繼電器能在單槽的空間內(nèi)錯(cuò)開，這樣既減小了整機(jī)空間，還降低了單塊開關(guān)板的布局密集程度，每塊印制板上節(jié)省出的空間可以用來走較長(zhǎng)的信號(hào)線。這種設(shè)計(jì)方式使該模塊具有更出色的插入損耗和電壓駐波比，將射頻信號(hào)路由至測(cè)量設(shè)備時(shí)可實(shí)現(xiàn)更佳的射頻信號(hào)完整性以及出色的動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)化設(shè)計(jì)的路徑能確保可重復(fù)的射頻性能。

開關(guān)板與控制板之間通過扁平電纜連接，每塊開關(guān)板接收8路控制信號(hào)，分別控制八個(gè)繼電器（兩組1選4開關(guān)）在NO和NC輸出之間切換，每4個(gè)繼電器可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展為一組1選4開關(guān)，開關(guān)拓?fù)鋱D如圖2所示，由于該型號(hào)的繼電器默認(rèn)一路NC為通路，直接分支拓展的連接方式會(huì)使得最終有一路是默認(rèn)通路，所以本開關(guān)模塊將第一級(jí)繼電器NC端接上50Ω電阻連到地，這樣可以方便的實(shí)現(xiàn)1選4開關(guān)通道全部斷開的狀態(tài)。

圖2 1選4射頻開關(guān)拓?fù)鋱D

繼電器的輸入輸出信號(hào)線采取微帶傳輸線的形式，開關(guān)板可采用四層板設(shè)計(jì)，自上而下分別是頂層、地層、middle1層和底層，板材頂層和底層選用rogers4350b，中間層選用FR4的混壓形式，保證微帶線的傳輸條件。在布線較為密集的區(qū)域，信號(hào)線采用共地面波導(dǎo)傳輸，共地面波導(dǎo)不需要在基片上鉆孔或開槽與地連接，工藝更簡(jiǎn)單，成本更低，而且相鄰的共地面波導(dǎo)之間有良好的屏蔽，所以在信號(hào)線密集區(qū)域采用共面波導(dǎo)更為合適。微帶線和共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，使用ADS工具可仿真計(jì)算出微帶線線寬，共面波導(dǎo)線寬及離地間距的理論值。本次設(shè)計(jì)仿真結(jié)果為微帶傳輸線41mil，阻抗理論值49.8Ω；共面波導(dǎo)線寬32mil，離地間距11.715mil，阻抗理論值50Ω。

圖3 微帶線及共地面波導(dǎo)模型

開關(guān)板頂層和底層表面大面積鋪地，并在傳輸線間的鋪地銅皮上，打上接地孔，提升通道間的隔離效果。

3 結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)射頻通道的良好匹配，以減小通道的反射和損耗，結(jié)合理論仿真參數(shù)，和射頻通道設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，最終產(chǎn)品開關(guān)通道插入損耗測(cè)試曲線如圖4，由測(cè)試曲線可看出，在繼電器總插入損耗約1dB,連接器插損約0.3dB的前提下，3GHz以內(nèi)的開關(guān)通道插損不高于1.5dB，通道匹配程度良好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 通道插入損耗曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

該P(yáng)XI射頻開關(guān)模塊在3U單槽空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4組1選4射頻開關(guān)通道的設(shè)計(jì)，頻率覆蓋到3GHz，具有優(yōu)秀的射頻信號(hào)傳輸性能，已大量應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多路射頻信號(hào)的自動(dòng)控制。