机电式继电器开关和固态开关

2021-04-26 14:16:16      点击:

射频和微波开关可分为机电式继电器开关以及固态开关两大类。这些开关可设计为多种不同构型——从单刀单掷到可将单个输入转换成16种不同输出状态的单刀十六掷,或更多掷的构型。切换开关为一种双刀双掷构型的开关。此类开关具有四个端口以及两种可能的开关状态,从而可将负载在两个源之间切换。

机电式继电器开关

机电式继电器开关的插入损耗较低(<0.1dB),隔离度较高(>85dB),且可以毫秒级的速度切换信号。此类开关的主要优点在于,其可在直流~毫米波(>50 GHz)频率范围内工作,而且对静电放电不敏感。此外,机电式继电器开关可处理较高的功率水平(达数千瓦的峰值功率)且不发生视频泄漏。
机电式继电器开关
作为可靠性机电式射频开关的一例,PE71S6064单刀双掷机电式开关,其工作频率范围为DC~40GHz,保证使用寿命达1000万次

然而,在机电式射频开关的操作中,有一些问题值得我们注意。此类开关的标准使用寿命大约只有100次,而且其组件对振动较为敏感。使用寿命是指机电式开关在满足射频及重复性要求的情况下所能完成的总开关次数。高质量或高可靠性机电式开关适用于需要更长使用寿命的应用场合。此类开关的可靠性和其他性能极其优越,而且使用寿命长达1000次。上述较长使用寿命源自于设计更为牢固的致动器以及在磁效率和机械刚性方面更为优化的传动连杆。此外,此类开关还设计为可承受更为严酷的环境条件,并满足MIL-STD-2002标准在正弦和随机振动以及机械冲击方面的要求。

固态射频开关

相比之下,由于固态射频开关的电路装配较为平坦且不包含较大的元器件,因此其封装厚度较小且物理尺寸通常小于机电式开关。固态射频开关使用的开关元件为高速硅PIN二极管或场效应晶体管(FET),或者为集成硅或FET单片微波集成电路。这些开关元件与电容器,电感器和电阻器等其他芯片组件分立集成于同一电路板上。
固态射频开关
作为PIN二极管开关的一例,PE7167单刀四掷开关,其工作频率为500MHz~40GHz,最大开关速度为100纳秒。在固态开关中,PIN二极管基本上作为可变电阻器使用,其电阻值可通过直流偏置电流调节。

使用PIN二极管电路的开关产品具有更高的功率处理能力,而FET类型的开关产品通常具有更快的开关速度。当然,由于固态开关 包含活动部件,因此其使用寿命是无限的。此外,固态开关的隔离度较高(60~>80dB),开关速度极快(<<100纳秒),电路的耐冲击/振动性较好。

固态射频开关的其他值得注意的性能包括其插入损耗。固态射频开关在插入损耗方面劣于机电式开关。此外,固态射频开关在低频应用中具有局限性。这是因为其工作频率下限只能到千赫级,而非直流。这一局限源于其所使用半导体二极管固有的载流子寿命特性。此外,固态射频开关对静电放电更为敏感,且其功率处理能力取决于开关构型、连接器类型、工作频率以及环境温度。某些构型的PIN二极管开关虽然可处理峰值为数千瓦的功率,但是同时需以更低的开关速度为代价。

总体而言,与机电式开关相比,固态射频开关的可靠性更高,使用寿命更长,开关速度更快。因此,在对开关速度和可靠性要求更高的应用中,应该优先选择固态射频开关;在需要宽频段覆盖低至直流以及低插入损耗的应用中,优先选择机电式开关;在以长使用寿命为绝对要求的应用中,优先选择高可靠性开关。