论干簧继电器的管脚形状对射频信号及阻抗的影响

时间：2021-12-08 17:29:41

关键字：射频信号管脚阻抗继电器

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[导读]在电子测试设备中，干簧继电器被广泛采用于切换不同路径的信号输入输出。在射频应用中的干簧继电器，器件管脚的优化是一个非常重要的因素，会直接影响射频信号的质量。在早些年30MHz已经算是高频的年代，继电器的管脚是否优化设计并不会对信号的质量产生很大的影响，很简单的通孔管脚就能够满足要...

在电子测试设备中，干簧继电器被广泛采用于切换不同路径的信号输入输出。在射频应用中的干簧继电器，器件管脚的优化是一个非常重要的因素，会直接影响射频信号的质量。在早些年 30MHz 已经算是高频的年代，继电器的管脚是否优化设计并不会对信号的质量产生很大的影响，很简单的通孔管脚就能够满足要求。但是高速串行数据传输的出现将测试信号速率提高到每秒数十亿位，当切换这些信号时，需要更复杂的管脚设计来保证信号的不失真。例如，数据流通过 USB3 端口高达 5 千兆每秒(Gbps)，需要至少 10千兆赫(GHz)的带宽，以正确地传输所有二进制开关信号。

现代高频干簧继电器设计的重点是使其阻抗尽可能接近 50 欧姆。

我们在这里来看看为什么干簧继电器的管脚形状如此重要。在高频时，电信号的表现与接近直流时不同。高频信号如果通过带有急剧弯曲的导体，就会退化，因为弯曲会让管脚产生电感性阻抗，并且呈现出随频率增加的电阻。结果，能量反弹到它的产生处，以热量的形式散失，或者辐射到空中，导致能量散失和信号失真。

为了在不损坏信号质量的情况下传输高频信号，需要一根单位长度的电容-电感比例合适的多导体传输线。电容电感比定义了电阻抗，通常设计为 50ohm。当信号链中的所有元件具有相同的阻抗时，能最大限度地实现它们之间的能量传递，使高速数字信号完整地通过。因此，要使干簧继电器在 50 欧姆传输线中发挥有效的作用，它必须有正确匹配的阻抗。

现代高频干簧继电器设计的重点是使通过继电器的整个信号路径，包括其管脚的阻抗尽可能接近 50 欧姆。设计管脚的挑战在于，当信号从印刷电路板上典型的平面信号传输线传输到三维结构的继电器时，要避免阻抗不连续。此时可以用到电磁软件仿真工具来优化管脚的几何形状，以最小化阻抗不连续。

我们怎么知道设计是否合适?评判射频中继性能的一个常见指标是带宽，它是射频功率吞吐量降至 50%的最低频率，对应于 3 dB 的功率损耗。Coto的表面贴装继电器通常带宽在 6 至 9 GHz 范围内。在这个系列中有 4 种封装管脚: J 型弯脚，鸥翼，轴向和球栅阵列(BGA)，从左到右显示在-图下面。

下图显示了 Coto 的 9814 Form-A 三种不同管脚形状的继电器射频插入损耗曲线。

文中还给出了无引脚 BGA 形式的 B41 继电器的插入损耗。因为轴向继电器的引线没有弯曲，所以电感很低。因此，它具有最佳的高频性能，在其-3 dB 点还能够达到 6.3 GHz 的带宽。鸥翼式和 j 型弯曲继电器，因管脚弯曲电感增加，在-3dB 时带宽会衰减到 5 到 6 GHz 之间。

对于追求高频性能而言，最好的做法是使用导波管来取代电感性导架，这已经在 BGA 封装的继电器上实现，通过专利性的结构设计，整个信号传输路径都能维持在 50 欧姆左右，且其 3dB 带宽可以达到 9GHz。这种专利设计能使阻抗在整个信号路径中保持非常接近 50 欧姆，在-3 dB 时能达到9 GHz 的带宽。

在设计阶段可以关注这几个不同管脚的优劣势：