CN104615039B - 一种usb接口控制的可扩展的多路射频开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，在充分研究国内外总线接口的射频开关模块的基础上，充分利用USB即插即用以及通用性强的特点，按照模块化、小型化设计思想，以接头直接焊接在印制板上的方式提高了指标的稳定性；以微带线代替传统电缆连接方式降低插入损耗等指标；以继电器单元对称和交错排列的方式提高通道之间的隔离度指标；以在各个印制板上开槽的方式把射频板和USB接口控制板紧密连接起来，提高了维修性；以两块射频开关板相对放置的形式进一步提高小型化；以多个垫柱作为支撑，多块射频板上下排列的方式进一步提高装置的扩展性。采用上述方案，提高了射频通路指标及稳定性。

Description

一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置

技术领域

本发明属于射频微波测试技术领域，尤其涉及的是一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置。

背景技术

现有的其他总线接口的16通道射频开关模块，主要由射频连接单元、继电器阵列单元、驱动逻辑单元、接口及控制单元组成。主控计算机通过相应的总线发送不同的参数控制多路射频开关通道。

传统射频连接单元主要由射频连接器和射频电缆组成，其中射频电缆一端连接至射频连接器接头，另一端焊接至印制板上继电器输入\输出对应的过孔上，这种连接方式使射频通道的指标受焊接等工艺水平以及电缆的扰动影响较大，一旦过孔的大小固定，只能选用内导体尺寸与之匹配的射频电缆进行焊接。射频线和屏蔽线过孔之间的距离都有严格的要求，如果设计的不合理，射频电缆和信号过孔之间匹配就不好，严重的时候导致整个通道的驻波比急剧上升，使通过该通路的信号发生歧变。由于要在宽度约为2cm、高度约为12cm面板上安装18个SMB射频连接器，射频连接器排列很紧密，安装和拆卸都不太方便，而且由于这种连接器本身是靠螺母固定的，多次插拔容易螺母容易松动，导致与之相连的内部电缆扰动影响整个通道的指标。

传统模块整个硬件电路单元都在同一块电路板上实现，这种方式在结构上比较紧凑，但是对于便携式仪器来说，没有体现单元化设计的理念，而且维修性也不强。

传统接口及控制单元选用特定的总线接口协议，用户如果要使用该模块只能选定与之匹配的总线机箱来控制，像LXI、VXI等总线仪器硬件电路占用的体积较大，而且通用性不强。

现有技术的实现方式缺点如下：

1、硬件指标不理想

利用射频电缆直接从印制电路板上对应信号输出端口引出信号的传统方法由于受射频电缆本身的因素以及和继电器之间连接匹配程度因素的制约，电缆受外力作用，指标稳定性差；电缆分布密集，存在串扰，导致隔离度指标不高；插入损耗受电缆长度以及电缆和射频信号过孔匹配程度的影响指标较高。

2、维护升级困难

现有的射频开关模块整个硬件都是在一块电路板上实现的，电缆紧贴继电器从顶部通过如果需要更换继电器需要先拆除电缆，然后才能更换，维修性强；如果需要升级整个硬件，需要更换整个电路板。

3、通用性较差

目前，各类射频开关模块都是基于特定的总线接口标准，在自动测试系统组建过程中缺乏统一的接口标准，各类总线接口仪器交织在一起，不便于控制，通用性较差。

4、可扩展性不强

基于其他总线接口的射频开关模块由于受到特定总线标准机箱结构空间的限制通道数量有限，如果需要扩展，只能靠增加槽位数来扩展，而且控制起来需要单个模块单独控制，不能满足多通道自动测试系统的需要。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置。

本发明的技术方案如下：

一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，包括USB接口控制单元、射频装置驱动单元、继电器阵列单元、射频输入输出单元、电源电路单元及继电器保护电路单元；所述USB接口控制单元用于USB总线协议的转化及多路开关通路的控制；所述射频装置驱动单元，用于对开关切换的所需驱动电平的设置；所述继电器阵列单元，用于继电器的级联以及信号传输；所述射频输入输出单元用于射频信号的传输；所述继电器保护电路单元，用于防止继电器断开的瞬间反电动势对继电器的损坏；所述电源电路单元用于向USB接口控制单元、射频装置驱动单元、继电器阵列单元、射频输入输出单元及继电器保护电路单元供电单元；工作时，根据不同的测试需求，通过主控计算机将相应的通道控制代码通过USB接口控制单元发送到射频装置驱动单元中，射频装置驱动单元根据发送过来的不同代码接通或者断开继电器阵列单元中的不同继电器，最终实现相应射频开关通道的控制。

所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，所述USB接口控制单元包括USB总线、USB接口电路及FPGA控制电路；所述射频装置驱动单元由多个驱动电路组成，其中每一个驱动电路的单独输出；所述继电器阵列单元由2组1x4矩阵形式构成；所述射频输入输出单元包括射频接口。

所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，所述USB接口电路，用于USB接口通信及USB协议的转化；所述FPGA控制电路，用于完成多路开关的控制及相应的地址译码。

所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，所述继电器阵列单元的工作频段为DC～6GHz，且采用欧翼贴装。

所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，所述USB接口控制单元、所述射频装置驱动单元以及所述电源电路单元设置集成在同一块印制电路板上。

所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其中，所述电源电路单元由电源适配器及电源转化电路组成；所述电源适配器直接由220VAC转化为+5VDC后输出给电源转化电路；所述电源转化电路用于实现电压转换后输出。

采用上述方案：

1、基于USB总线通信和控制,操作方便、通用性强。

2、提高了射频通路指标及稳定性。射频通路指标不再受电缆以及电缆与继电器匹配程度的影响，通道驻波比、插入损耗和隔离度指标都相应的提高，指标的稳定性也不再受电缆的扰动而受影响。

3、便于升级和维护。当通道数需要升级或出现有通道损坏时时,只需升级或者更换相应的射频通道单元，而不需要更换整个装置。

4、可扩展性强。当需要射频通道扩展时，只需要在装置内部增加射频通道单元或者通过多个装置级联提高扩展性。

5、由于采用模块化、便携式设计的思想，因此整个装置内部集成度高、体积较小，便于自动测试系统的集成。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图。

图2为本发明USB接口控制单元控制单元、射频装置驱动单元以及电源电路单元。

图3为本发明实施例中继电器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明通过对各类特定总线射频开关装置的构造进行归纳，以通用USB总线接口为基础，将整个射频开关装置划分为独立的单元：USB接口控制单元(包括USB总线、USB接口电路、FPGA控制电路)、射频装置驱动单元(包括驱动电路)、继电器阵列单元(包括若干继电器阵列组)、射频输入输出单元(包括射频接口)、电源电路单元(包括电源转化电路)及继电器保护电路单元(包括若干保护二极管电路)，其中USB接口控制单元一端通过USB电缆连接至主控计算机的USB口上，另一端连接至射频装置驱动单元，射频驱动单元输出的驱动信号连接至继电器阵列单元，继电器阵列单元的射频信号线直接连接至射频输入输出单元，各继电器控制线连接至电源保护电路单元，电源电路单元分别连接至USB接口控制单元、射频装置驱动单元；其中通用USB接口单元是以USB通信协议为基础的通信和逻辑控制单元，它既完成USB总线协议的转化，又完成多路开关通路的控制，USB接口单元中USB接口电路一端同USB总线相连，另一端同FPGA控制电路相连；射频装置驱动单元，由隔离电路和驱动电路组成，主要实现对开关切换的所需驱动电平的设置，选用的继电器驱动电流很小，用普通的带隔离功能的集成电路就可以驱动；继电器阵列单元，由多组1×4矩阵继电器组成，主要完成继电器的级联以及信号传输；射频输入输出单元，由射频接头组成，主要完成射频信号的传输；继电器保护电路单元主要防止继电器断开的瞬间反电动势对继电器的损坏；电源电路单元，由电源适配器及电源转化电路组成，主要对各部分单元电路供电。工作流程如下：首先根据不同的测试需求，通过主控计算机把相应的通道控制代码通过USB接口控制单元发送到射频装置驱动单元中，射频装置驱动单元根据发送过来的不同代码打通或者断开继电器阵列单元中的不同继电器，最终实现相应射频开关通道的控制。整个装置的硬件结构如图1所示。

本发明按照通用USB总线控制和射频通道单元两大部分进行的单元化设计，每部分又分为各个独立的单元电路，具有很强的通用性和可扩展性，不但可以实现多路射频信号的切换，对于用户操作也很方便。

使用本发明装置进行自动测试系统的集成时,根据实际需求量配置不同的射频开关通道,然后利用通用的USB接口进行控制。本发明的目的就是提出一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，下面对各个单元做具体的说明

USB接口控制单元控制单元、射频装置驱动单元以及电源电路单元

这三部分作为一个最基础的部分，通称为通信控制部分。为了体现模块化以及单元设计的方法，把这三部分集成在同一块印制电路板上实现。这部分主要包括USB通信接口及FPGA控制部分、开关驱动部分以及电源供电部分，硬件连接图如图2所示。

其中：电源电路单元其供电部分主要由电源适配器及电源转化电路组成，实现对USB接口控制单元及射频装置驱动单元供电。电源适配器直接由220VAC转化为+5VDC后输出给电源转化电路，电源转化电路根据各部分不同的电压需求再转化为不同的电压输出给对应功能电路。

USB接口电路及FPGA控制电路用于完成USB接口通信以及多路开关的控制。其中FPGA控制电路不但要完成USB接口电路的控制，还要完成相应的地址译码，USB通信接口部分主要完成USB协议的转化。

射频装置驱动单元由多个驱动电路组成，其中每一部分驱动电路的输出单独引到一个连接器上。连接器序号分别标识为XS1、XS2…XSN。通过这种连接形式使控制部分和射频通道部分完全独立，便于维修。

由于受印制板尺寸的限制，本发明中我们在此优选的设计了8组驱动电路，如果需要扩展，在FPGA管脚数和印制板尺寸不受限的情况下可以无限制的扩展。

经过驱动电路后的驱动电平送至相应的继电器阵列，控制不同通路的通断。每组继电器阵列由2组1x4矩阵形式构成。

每组矩阵由3组单刀双掷继电器级联而成，第一级继电器NC端接上50Ω电阻连到地，这样可以方便的实现任何一个通道都不打通的状态。如图3所示为矩阵形式构成图，每四个继电器一组，每块射频开关印制板便可实现两组一选四功能。

继电器工作在频段DC～6GHz时有良好的表现，欧翼贴装，比其他封装更适合印制板信号传输方式，尺寸小巧，符合结构要求，器件信号管脚较为分散，便于布线。射频连接器和继电器之间以及级联的继电器之间都是采取微带传输线的形式，选用了合适的微波板材并且使用ADS工具仿真计算出微带线线宽及离地间距的理论值保证良好的阻抗匹配。不同器件之间由于传输线的宽度不同引起阻抗的突变，从而导致整个通道指标恶化或者突变，本发明中利用建模的方法进行仿真和优化，消除阻抗突变引起的通道性能下降。

在本发明在结构设计方面弃用传统方案中采取单电路板的设计方式，传统结构方案要将大量继电器摆放在电路板的继电器阵列区域，单块电路板空间有限，除去开关控制电路以及通信接口电路，能用来设计射频通道部分空间非常小，最后造成射频通道部分走线非常密集，继电器的输出只能通过电缆连接到面板上的接头，电缆受力、焊接工艺、以及密集的布局都会影响信号的传输，导致最终成品的指标存在很多不确定因素，会经常出现若干通道指标无法满足设计要求的情况，而且不便于维修。本次结构设计方案在保证小型化的同时，同时兼顾可扩展性以及维修性等多方面因素，把整个装置划分为射频通道单元和通信控制单元，这两部分分别在两块印制电路板上实现。其中射频通道单元由8块结构完全相同的印制板组成，完成64个射频通道的组合。每块板子上节省出的空间用来走信号线，信号线采用微带线的形式。射频输入输出接头直接焊接在印制板上，这种设计方式使该装置具有更出色的插入损耗和电压驻波比，将射频信号路由至测量设备时可实现更佳的射频信号完整性以及出色的动态范围，优化设计的路径能确保可重复的射频性能。为了保证射频板和控制板无缝连接，提高小型化程度，采用开槽的设计方法，在射频通道板和控制板周围都预留一定的空间进行适当宽度和深度的开槽。保证控制板和射频板无缝连接。为了实现8块射频通道单元的互连以及更多的射频通道的扩展，在定位孔位置采用垫柱上下互连的形式。既保证稳定性又提高可扩展性。

为了使装置小型化程度更高、指标性能更好，在射频通道单元电路板布局方面采用对称以及错位排列的设计方法，保证上下两块射频通道单元板能够在高度为2cm的空间内有序排列。最终设计的单块射频板上保证两组4x1射频通道的组合。单块射频通道印制板的尺寸为：95cm x81cm(长x宽)。

同样为了保证射频板和控制板无缝连接，提高小型化程度，在控制板周围也预留一定的空间进行适当宽度和深度的开槽。为了实现多通道的扩展，在印制板只有160cmx100cm(长x宽)的范围内放置了XS1等8个连接器，使目前该装置能扩展到8个射频通道板组建64个射频输出通道。如果在印制板长度不受限的情况下，可以设计更多的驱动电路以及放置更多的连接器无限制的进行扩展。为了保证整个装置的稳定性以及一体化的要求，在控制板上设计了9个过孔，通过压板条来固定第一个射频板和控制板。

采用上述方案：

1、基于USB总线通信和控制,操作方便、通用性强。

2、提高了射频通路指标及稳定性。射频通路指标不再受电缆以及电缆与继电器匹配程度的影响，通道驻波比、插入损耗和隔离度指标都相应的提高，指标的稳定性也不再受电缆的扰动而受影响。

3、便于升级和维护。当通道数需要升级或出现有通道损坏时时,只需升级或者更换相应的射频通道单元，而不需要更换整个装置。

4、可扩展性强。当需要射频通道扩展时，只需要在装置内部增加射频通道单元或者通过多个装置级联提高扩展性。

5、由于采用模块化、便携式设计的思想，因此整个装置内部集成度高、体积较小，便于自动测试系统的集成。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其特征在于，包括USB接口控制单元、射频装置驱动单元、继电器阵列单元、射频输入输出单元、电源电路单元及继电器保护电路单元；所述USB接口控制单元用于USB总线协议的转化及多路开关通路的控制；所述射频装置驱动单元，用于对开关切换的所需驱动电平的设置；所述继电器阵列单元，用于继电器的级联以及信号传输；所述射频输入输出单元用于射频信号的传输；所述继电器保护电路单元，用于防止继电器断开的瞬间反电动势对继电器的损坏；所述电源电路单元用于向USB接口控制单元、射频装置驱动单元、继电器阵列单元、射频输入输出单元及继电器保护电路单元供电；工作时，根据不同的测试需求，通过主控计算机将相应的通道控制代码通过USB接口控制单元发送到射频装置驱动单元中，射频装置驱动单元根据发送过来的不同代码接通或者断开继电器阵列单元中的不同继电器，最终实现相应射频开关通道的控制；所述USB接口控制单元包括USB总线、USB接口电路及FPGA控制电路；所述射频装置驱动单元由多个驱动电路组成，其中每一个驱动电路的单独输出；所述继电器阵列单元由2组1x4矩阵形式构成；每组矩阵由3组单刀双掷继电器级联而成，第一级继电器NC端接上50Ω电阻连到地；所述射频输入输出单元包括射频接口。

2.如权利要求1所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其特征在于，所述USB接口电路，用于USB接口通信及USB协议的转化；所述FPGA控制电路，用于完成多路开关的控制及相应的地址译码。

3.如权利要求1所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其特征在于，所述继电器阵列单元的工作频段为DC～6GHz，且采用欧翼贴装。

4.如权利要求1所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其特征在于，所述USB接口控制单元、所述射频装置驱动单元以及所述电源电路单元设置集成在同一块印制电路板上。

5.如权利要求1所述的USB接口控制的可扩展的多路射频开关装置，其特征在于，所述电源电路单元由电源适配器及电源转化电路组成；所述电源适配器直接由220VAC转化为+5VDC后输出给电源转化电路；所述电源转化电路用于实现电压转换后输出。