CN111817692B - 一种非对称式多通道射频开关矩阵装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种非对称式多通道射频开关矩阵装置，包括PCB板、控制器、N个射频信号输入端、N个射频信号输出端以及2N个射频开关，所述PCB板包括表层信号层和底层信号层，所述控制器与2N个所述射频开关分别相连，每个所述射频开关均具有N个信号通道。本发明的射频信号输入端与射频信号输出端互相垂直放置，这样输入信号线与输出信号线也互相垂直，从而射频走线在表层信号层和底层信号层上不存在交叉的情况，对PCB板层数的要求低，降低了多通道射频开关矩阵的体积和成本。

Description

一种非对称式多通道射频开关矩阵装置

技术领域

本发明涉及射频开关矩阵技术领域，尤其涉及一种非对称式多通道射频开关矩阵装置。

背景技术

开关矩阵常用于雷达、通信、电子对抗、敌我识别、精确制导等多种电子装备的自动测试设备中，开关矩阵能够实现快速切换信号流，是这些系统中进行通道切换不可缺少的部分。随着自动化测试设备集成化程度的不断提高，对开关矩阵的要求也越来越高，一是开关矩阵通道数需求越来越多，二是开关矩阵的体积越来越小。

目前在多通道的开关矩阵中，通常采用输入端和输出端对称的结构，使得多通道开关矩阵的PCB射频走线相互交叉，但受限于PCB板层厚度、过孔的大小等因素，常规工艺很难满足多通道的开关矩阵单元。例如6*6的开关矩阵，需要用6对(12个)一分六的射频开关，6对射频开关之间需用36根射频走线相互连接，由于走线相互交叉，至少需要8层PCB来实现。而8*8的开关矩阵，需要用8对(16个)一分八的射频开关，8对射频开关之间需用64根射频走线相互连接，由于走线相互交叉，至少需要12层PCB来实现。而16*16的开关矩阵，受限于PCB工艺，基本不会采用单板实现，需要4块8*8开关矩阵单板和1块2*2开关矩阵单板组合实现。从而传统对称式开关矩阵要么需要的PCB层数多，要么需要的板子数量多，阻碍了多通道开关矩阵的小型化以及降低成本。

发明内容

有鉴于此本发明提出了一种非对称式多通道射频开关矩阵装置，以解决传统对称式多通道射频开关矩阵需要的PCB层数以及板子数量多的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种非对称式多通道射频开关矩阵装置，包括PCB板、控制器、N个射频信号输入端、N个射频信号输出端以及2N个射频开关，所述PCB板包括表层信号层和底层信号层，所述控制器与2N个所述射频开关分别相连，每个所述射频开关均具有N个信号通道；

N个所述射频信号输入端及N个所述射频开关并列设置于所述表层信号层的一侧，N个所述射频信号输出端及另外N个所述射频开关并列设置于所述底层信号层的一侧，所述射频信号输入端与所述射频信号输出端互相垂直设置，所述PCB板上设有垂直于所述PCB板的过孔，所述过孔连通所述表层信号层与所述底层信号层；

所述表层信号层上每个所述射频开关的每个信号通道，与对应的所述过孔的一端位于同一条直线上，所述底层信号层上每个所述射频开关的每个信号通道，与对应的所述过孔的另一端位于同一条直线上；

每个所述射频信号输入端均依次经所述表层信号层上的一个所述射频开关、对应的所述过孔、所述底层信号层上的一个所述射频开关分别连接每个所述射频信号输出端。

可选的，所述射频开关为为单一的一分N射频开关芯片，或由一个一分二射频开关芯片及一个一分N/2射频开关芯片组成。

可选的，N的取值为16，所述PCB板还包括一层表层参考地、两层控制信号走线层以及一层底层参考地；

所述表层参考地、两层所述控制信号走线层以及所述底层参考地位于所述表层信号层与所述底层信号层之间，沿所述表层信号层指向所述底层信号层的方向，所述表层参考地、两层所述控制信号走线层以及所述底层参考地依次设置。

可选的，所述过孔周围设置有平行于所述过孔的接地孔，所述接地孔连通所述表层参考地与所述底层参考地。

可选的，所述接地孔与所述过孔之间的距离为0.3～0.6mm。

可选的，所述接地孔的数量为4且均匀分布于所述过孔的四周。

本发明的非对称式多通道射频开关矩阵装置相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明的射频信号输入端与射频信号输出端互相垂直放置，这样输入信号线与输出信号线也互相垂直，从而射频走线在表层信号层和底层信号层上不存在交叉的情况，对PCB板层数的要求低，降低了多通道射频开关矩阵的体积和成本；对于N取值较大的多通道射频开关矩阵而言，本发明的非对称式结构还可降低PCB板的数量需求，同样可降低成本。

(2)本发明采用非对称式结构设计了16×16的开关矩阵，由于走线不交叉，仅使用6层的PCB板便实现了16×16多通道开关矩阵，有效的解决了16×16多通道开关矩阵的小型化问题；

(3)本发明设置了接地孔，射频信号从表层信号层传输到底层信号层时，接地孔为过孔信号提供了完整的返回路径，同时也为过孔信号提供了参考孔，从而提高了信号过孔的阻抗连续性，并减小了信号损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统对称式多通道射频开关矩阵的结构示意图；

图2为本发明的非对称式多通道射频开关矩阵装置的结构示意图；

图3为本发明的PCB板及过孔的结构示意图；

图4为本发明的PCB板、过孔及接地孔的结构示意图。

附图标记说明：

10-PCB板；20-射频信号输入端；30-射频信号输出端；40-射频开关；50-过孔；60-接地孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例的非对称式多通道射频开关矩阵装置包括PCB板10、控制器(未画出)、N个射频信号输入端20、N个射频信号输出端30以及2N个射频开关40，如图4所示，PCB板10包括表层信号层和底层信号层，控制器与2N个射频开关40分别相连，每个射频开关40均具有N个信号通道。

N个射频信号输入端20及N个射频开关40并列设置于表层信号层的一侧，N个射频信号输出端30及另外N个射频开关40并列设置于底层信号层的一侧，射频信号输入端20与射频信号输出端30互相垂直设置，PCB板10上设有垂直于PCB板10的过孔50，过孔50连通表层信号层与底层信号层。表层信号层上每个射频开关40的每个信号通道，与对应的过孔50的一端位于同一条直线上，底层信号层上每个射频开关40的每个信号通道，与对应的过孔50的另一端位于同一条直线上。每个射频信号输入端20均依次经表层信号层上的一个射频开关40、对应的过孔50、底层信号层上的一个射频开关40分别连接每个射频信号输出端30。

其中，控制器用于控制射频开关40从N个信号通道中选择一路进行选通。

如图1所示，为传统对称式多通道射频开关矩阵的结构示意图，由图可知，多个输入端与多个输出端一一对称，以6×6开关矩阵为例，需要实现任何一路输入端可以切换到任何一路输出端的通道切换功能，无论6个输入端和6个输出端处于同一信号层或不同的信号层，总会存在走线交叉的情况，这就导致需要的PCB板的层数更多，不利于开关矩阵的小型化设计；若N的取值较大，如16或32，对称式多通道射频开关矩阵需要的PCB板的数量更多。

本实施例中，输入信号线连接过孔50与表层信号线上射频开关40的信号通道，输出信号线连接过孔50与底层信号线上射频开关40的信号通道，由于表层信号层上每个射频开关40的每个信号通道，与对应的过孔50的一端位于同一条直线上，底层信号层上每个射频开关40的每个信号通道，与对应的过孔50的另一端位于同一条直线上，这样输入信号线和输出信号线均可设置为直线。由于N个射频信号输入端20与N个射频信号输出端30互相垂直放置，这样输入信号线与输出信号线也互相垂直，所有输入信号线均互相平行，所有输出信号线也互相平行，从而射频走线在表层信号层和底层信号层上不存在交叉的情况，对PCB板层数的要求低，降低了多通道射频开关矩阵的体积和成本。对于N取值较大的多通道射频开关矩阵而言，本实施例的非对称式结构还可降低PCB板的数量需求，同样可降低成本。

可选的，本实施例的射频开关40为为单一的一分N射频开关芯片，或由一个一分二射频开关芯片及一个一分N/2射频开关芯片组成。若N取值较小，控制射频开关40选通的难度较低，可优选射频开关40为为单一的一分N射频开关芯片；若N取值较大，控制射频开关40选通的难度较高，可优选射频开关40由一个一分二射频开关芯片及一个一分N/2射频开关芯片组成，如N取值为16，则射频开关40可由一个一分二射频开关芯片及一个一分八射频开关芯片组成。

进一步的，如图4所示，本实施例优选N的取值为16，PCB板10还包括一层表层参考地、两层控制信号走线层以及一层底层参考地，表层参考地、两层控制信号走线层以及底层参考地位于表层信号层与底层信号层之间，沿表层信号层指向底层信号层的方向，表层参考地、两层控制信号走线层以及底层参考地依次设置。

其中，由上往下，第1层为表层信号层，用于输入信号线走线，第2层为表层参考地，第3、4层为控制信号走线层，第5层为底层参考地，第6层为底层信号层，用于输出信号线走线。表层的输入信号线通过过孔50与底层的输出信号线相连。本实施例采用非对称式结构设计了16×16的开关矩阵，由于走线不交叉，仅使用6层的PCB板便实现了16×16多通道开关矩阵，有效的解决了16×16多通道开关矩阵的小型化问题。

在本实施例的6层PCB板中，信号从表层信号层传输到底层信号层需要通过过孔50来实现连接，在信号频率较低时，过孔50能起到一个很好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略。当信号频率较高时，过孔50的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，此时过孔50在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。如图3所示，当信号通过过孔50传输至底层信号层时，表层参考地和底层参考地同时也作为过孔50信号的返回路径，并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动，并引起地弹等问题。

如图4所示，本实施例优选过孔50周围设置有平行于过孔50的接地孔60，接地孔60连通表层参考地与底层参考地。信号从表层信号层传输到底层信号层时，接地孔60为过孔信号提供了完整的返回路径，同时也为过孔信号提供了参考孔，从而提高了信号过孔的阻抗连续性，并减小了信号损耗。实际中发现，过孔50的阻抗随接地孔60的数量增加而降低，这是由于随接地孔60数量增加，信号过孔与接地孔60间电容增加，调整接地孔60数量可有效控制过孔阻抗、降低过孔损耗。但接地孔60的数量也不可能大量增加，数量太多会影响PCB板10的布线空间，对于16×16的多通道开关矩阵，考虑到PCB板10上过孔50的数量为256个，选择接地孔60的数量为4且均匀分布于过孔50的四周，这样可在保证不影响PCB板10布线空间的前提下尽可能的控制过孔阻抗，从而降低过孔损耗。

本实施例中，过孔50与接地孔60之间的距离对过孔阻抗同样具有影响。当过孔50与接地孔60距离由0.3mm增加至0.6mm时，过孔50与接地孔60间电容降低，过孔阻抗呈不断增加趋势，可极大的降低过孔损耗。

以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非对称式多通道射频开关矩阵装置，包括PCB板(10)、控制器、N个射频信号输入端(20)、N个射频信号输出端(30)以及2N个射频开关(40)，所述PCB板(10)包括表层信号层和底层信号层，所述控制器与2N个所述射频开关(40)分别相连，每个所述射频开关(40)均具有N个信号通道，其特征在于：

N个所述射频信号输入端(20)及N个所述射频开关(40)并列设置于所述表层信号层的一侧，N个所述射频信号输出端(30)及另外N个所述射频开关(40)并列设置于所述底层信号层的一侧，所述射频信号输入端(20)与所述射频信号输出端(30)互相垂直设置，所述PCB板(10)上设有垂直于所述PCB板(10)的过孔(50)，所述过孔(50)连通所述表层信号层与所述底层信号层；

所述表层信号层上每个所述射频开关(40)的每个信号通道，与对应的所述过孔(50)的一端位于同一条直线上，所述底层信号层上每个所述射频开关(40)的每个信号通道，与对应的所述过孔(50)的另一端位于同一条直线上；所有输入信号线均互相平行，所有输出信号线也互相平行，射频走线在表层信号层和底层信号层上不存在交叉的情况；

每个所述射频信号输入端(20)均依次经所述表层信号层上的一个所述射频开关(40)、对应的所述过孔(50)、所述底层信号层上的一个所述射频开关(40)分别连接每个所述射频信号输出端(30)。

2.如权利要求1所述的非对称式多通道射频开关矩阵装置，其特征在于，所述射频开关(40)为为单一的一分N射频开关芯片，或由一个一分二射频开关芯片及一个一分N/2射频开关芯片组成。

3.如权利要求1所述的非对称式多通道射频开关矩阵装置，其特征在于，N的取值为16，所述PCB板(10)还包括一层表层参考地、两层控制信号走线层以及一层底层参考地；

所述表层参考地、两层所述控制信号走线层以及所述底层参考地位于所述表层信号层与所述底层信号层之间，沿所述表层信号层指向所述底层信号层的方向，所述表层参考地、两层所述控制信号走线层以及所述底层参考地依次设置。

4.如权利要求3所述的非对称式多通道射频开关矩阵装置，其特征在于，所述过孔(50)周围设置有平行于所述过孔(50)的接地孔(60)，所述接地孔(60)连通所述表层参考地与所述底层参考地。

5.如权利要求4所述的非对称式多通道射频开关矩阵装置，其特征在于，所述接地孔(60)与所述过孔(50)之间的距离为0.3～0.6mm。

6.如权利要求4所述的非对称式多通道射频开关矩阵装置，其特征在于，所述接地孔(60)的数量为4且均匀分布于所述过孔(50)的四周。