多通道程控射頻路由矩陣設(shè)計

中圖分類號：TN91；TN98 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0070-03

Abstract：The paper addresses the recurrent issue offrequent changes in RFcables during the debugging process ofcomplex electronic equipment.To tackle this challnge，a multi-channel programmable radio frequency routing matrix （hereafterreferredtoas theRFmatrix）has been designed.This innovative solutionaims toofferahighlevel of programmability，enabling flexible path configurations，therebymarkedlyenhancingboth debugging eficiency and userconvenience when utilizing the device.This paper outlines the comprehensive design strategy forthe multichannel programmable radio frequency routing matrix meticulously，elucidating itsoperational mechanism，circuit architecture，and delving into specific designapproaches for pivotal components suchas the digitalcontrol module， radio frequency routing unit，and thermal management systems.

Keywords：multi-channel; digital programming;radio frequency unit

0 引言

在大型復雜電子裝備的多指標測試時，需要將不同被測裝備的射頻接口連接到不同的測量儀器上，針對頻繁、大量的連接工作，可實現(xiàn)快速、簡便、可靠的射頻路由切換非常重要。常規(guī)做法，在測試過程中，根據(jù)需要，采用傳統(tǒng)的手動連接方式，逐一將射頻端口連接到對應被測裝備和測量儀器上。在復雜的射頻關(guān)系中，采用手動連接，存在諸多不足：一方面，對操作人員的技能等級和專注度有著較高的要求，且工作量大、效率低；另一方面，頻繁更換接線對儀器、產(chǎn)品、線纜均造成不同程度的損壞，無形中增加生產(chǎn)成本；同時，手動接線不適應多品種、小批量、頻繁換產(chǎn)且需要射頻路由切換的柔性生產(chǎn)要求。因此，設(shè)計一種可程控且能夠?qū)崿F(xiàn)自由設(shè)置的射頻路由切換設(shè)備以滿足柔性化和自動化測試的需求，非常必要[1]。

本文設(shè)計了一種多通道程控射頻路由矩陣（簡稱射頻矩陣），以解決工程實際難題[2]。

1 總體方案設(shè)計

考慮實用性和經(jīng)濟性，射頻矩陣采用通用、易擴容的設(shè)計理念。

射頻矩陣由電源轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字控制模塊、射頻路由單元組成。電源轉(zhuǎn)換模塊將市電通過內(nèi)置AC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12V直流，變換后送入數(shù)字控制模塊和射頻路由單元；同時，上位機通過RS-232串口和LAN網(wǎng)口發(fā)送控制命令到數(shù)字控制模塊，實現(xiàn)上位機對射頻矩陣的程控，數(shù)字控制模塊通過微控制器實現(xiàn)對射頻路由單元內(nèi)部射頻路由通路的設(shè)置。其組成框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

射頻矩陣的核心部件和技術(shù)難點在于數(shù)字控制模塊、射頻路由單元及散熱等設(shè)計，由于篇幅有限，本文重點闡述以上三個方面的設(shè)計。

2.1數(shù)字控制模塊設(shè)計

數(shù)字控制模塊電路采用FPGA ?⁺ ARM架構(gòu)[3]。FPGA負責處理與用戶的交互信息，如監(jiān)控信息、矩陣開關(guān)指令，同時與ARM交互信息；ARM芯片負責對用戶信息進行計算轉(zhuǎn)換，ARM芯片采用STM32系列芯片。其組成框圖如圖2所示。

數(shù)字控制模塊采用通用的ARM監(jiān)控處理核心架構(gòu)。ARM芯片邏輯單元IO眾多，可大規(guī)模并行處理信號流，實現(xiàn)SPI、COM、LVTTL等多種電平類型的監(jiān)控信號監(jiān)測，靈活監(jiān)控各工作電路的工作狀態(tài)；同時，ARM具有CPU內(nèi)核，內(nèi)含嵌入式實時操作系統(tǒng)，可進行指令解析和以太網(wǎng)接口通信。

針對自由程控路由設(shè)置的特點，射頻矩陣采用上位機通過RS-232總線/LAN網(wǎng)線下發(fā)簡短的控制命令，實現(xiàn)上位機對射頻矩陣的程控，通過微控制器實現(xiàn)對射頻路由單元內(nèi)部不同射頻開關(guān)的通道切換控制，完成路由鏈路的設(shè)置，動態(tài)響應快、穩(wěn)定度高、效率高，并在完成設(shè)置后數(shù)字控制模塊定時向上位機反饋當前工作路由鏈路信息，實現(xiàn)上位機對射頻矩陣的工作路由鏈路的實時監(jiān)控，為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)提供便利；同時，數(shù)字控制模塊根據(jù)接收到的上位機控制命令與內(nèi)部預置的路由鏈路命令進行比對，根據(jù)比對結(jié)果點亮或熄滅鏈路工作指示燈，實現(xiàn)射頻矩陣當前路由鏈路工作狀態(tài)的顯示。

數(shù)字控制模塊采用通用的可編程邏輯器件控制處理核心架構(gòu)，用戶可根據(jù)不同需求燒錄不同的程序，可完成常用路由鏈路信息的預置，在路由設(shè)置時與上位機下發(fā)的路由控制命令比對，完成信息差錯檢查，并控制路由指示燈顯示，可實現(xiàn)查錯、糾錯雙功能。

在程序設(shè)計方面，上位機向數(shù)字控制模塊下發(fā)簡短的控制命令，通過數(shù)字控制模塊對不同射頻開關(guān)的控制，完成路由鏈路的設(shè)置，并在完成設(shè)置后數(shù)字控制模塊定時向上位機反饋當前工作路由鏈路信息。

2.2射頻路由單元設(shè)計

射頻路由單元主要由7組2通路射頻開關(guān)、2組6通路射頻開關(guān)、2組30dB的衰減器組成。射頻開關(guān)可實現(xiàn)不同通路切換，30dB衰減器可實現(xiàn)射頻信號的衰減，采用邏輯對稱關(guān)系，可設(shè)置不同的鏈路，實現(xiàn)裝備與儀器的連接、裝備與裝備的對通，滿足大信號、小信號的不同測試需求。其組成框圖如圖3所示。

射頻路由單元的鏈路采用對稱邏輯關(guān)系設(shè)計，每 1路的路由邏輯長度一致，射頻路由平坦度高。

在可選的實例中射頻路由單元采用多個射頻開關(guān)物理對稱布局結(jié)構(gòu)，每個射頻開關(guān)的通道切換可以獨立控制，能實現(xiàn)自由組合切換；同時，采用冗余結(jié)構(gòu)，可根據(jù)使用需求增加開關(guān)數(shù)量，以適應通道擴容需求。

2.3散熱設(shè)計

射頻矩陣采用自動溫控散熱設(shè)計，根據(jù)射頻矩陣內(nèi)部的工作溫度進行散熱處理，待機狀態(tài)風機停止工作，減少了設(shè)備噪音和功耗。該設(shè)計工作溫度范圍寬，采用風扇智能控制方式，有效降低噪音；同時，風機電路輸出控制及過壓過流保護功能使得輸出更安全，保護功能強，使射頻路由矩陣箱具有良好的散熱性能。

3 實驗驗證

本文設(shè)計的射頻矩陣在多個型號的大型復雜電子裝備產(chǎn)品的調(diào)試、測試過程中提供自由射頻路由的切換，實現(xiàn)了測試的快速接線和控制，適用于研發(fā)設(shè)計、制造生產(chǎn)等自動測試領(lǐng)域。該設(shè)備最大程度為用戶選配不同的射頻切換開關(guān)提供了靈活性，根據(jù)需要可選購11組射頻開關(guān)，射頻功率的承載能力大于 150W 。

結(jié)束語

本文提出的射頻矩陣是一種新型的射頻路由設(shè)備[4]，提供一種具有動態(tài)切換響應快、工作穩(wěn)定度高、不同路由平坦度好、可控性強、操控簡單、切換效率高、差錯率低，能夠?qū)崿F(xiàn)不同射頻路由自由設(shè)置，滿足需要柔性生產(chǎn)需要的程控射頻路由矩陣。射頻矩陣設(shè)計合理，技術(shù)成熟，相關(guān)技術(shù)已授權(quán)發(fā)明專利并廣泛運用于工程中，支撐大批量復雜電子裝備的調(diào)試生產(chǎn)。

參考文獻

[1]單忠德，汪俊，張倩.批量定制柔性生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化制造發(fā)展[J].物聯(lián)網(wǎng)學報，2021（03）：1-9.

[2]董巍.智能技術(shù)在電子信息工程自動化設(shè)計中的應用研究[J].信息系統(tǒng)工程，2023（11）：59-61.

[3]徐海納，鄭駿.基于FPGA和ARM架構(gòu)的串行通信接口模塊設(shè)計[J].信息與電腦（理論版），2023（16）：190-193.

[4]王琦.模塊化大規(guī)模射頻開關(guān)矩陣的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2016（06）：10-12.