一种开关矩阵

技术领域

本发明涉及一种开关矩阵，应用于电学无线电类仪器设备自动测试时信号的切换。

背景技术

随着通信技术的快速发展，电子产品的不断更新换代，目前市场上电学无线电测试类仪器仪表保有量快速扩充，随之而来的计量检定问题显得尤为突出，特别是以矢量网络分析仪、信号发生器、频谱分析仪为代表的微波毫米波通用测量仪器仪表。目前，在该类仪表的计量检定中，主要靠部分自动程序和人工手动方式配合来完成，尤其是频谱分析仪的计量校准，校准参数非常多，操作极其复杂，特别是面对庞大计量业务时，测试效率明显不足。

所以为了提升电学无线电频谱分析仪的计量测试效率，降低计量测试服务成本，提高市场竞争力，亟需研制一种高准确度、低时延、低损耗接口适配及信号切换技术的专用开关矩阵。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出一种开关矩阵，该开关矩阵能够高准确度、低时延、低损耗的接口适配及信号切换，其适用于频谱分析仪计量校准时信号自动切换。

(二)技术方案

一种开关矩阵，包括开关模块、外部接口模块、开关控制模块和供电模块；所述开关模块用于连接信号源、频谱仪、功率计、频率计、功分器、1dB步进衰减器、10dB步进衰减器、50Ω匹配负载；所述供电模块包括开关电源模块和AC220V电源接口；所述供电模块为AC220V转DC12V的AC/DC模块，所述供电模块为所述开关模块进行供电；开关矩阵中，参考输出端选择性连接参考输入端或所述频率计，信号源选择性连接A、B、C、D端，其中A端为所述衰减器的输入端，其中C端为所述功分器的输入端，其中D为第二预留端；所述频谱仪选择性连接E、F、G、H端，其中E端为所述衰减器的输出端，其中F端连接至B端，其中G端为所述功分器的第二输出端，其中H端为第一预留端；所述功分器的第一输出端连接至功率计。

所述开关模块为Radiall公司的开关模块。

所述开关模块的具体型号分别为R570412100型和R573802420型。

R570412100是一款带SMA连接器，频率可达18GHz，不保持，12VDC，带TTL驱动，无选项，带焊针SPDT的1选2开关；其中，开关模块NO、C、NC端为射频信号的连接端，开关模块E、GND、Vcc端为信号控制端和电源供电端；当TTL驱动信号E＝0时，射频信号C与NC导通，C与NO断开；当TTL驱动信号E＝1时，射频信号C与NC断开，C与NO导通。

R573802420是一款带SMA2.92mm连接器，频率可达40GHz，不保持，12VDC，带TTL驱动，带焊针SPDT的1选4开关；其具有一个射频输入端和四个射频输出端，E1、E2、E3、E4为开关模块TTL驱动控制端，GND、Vcc为开关模块电源供电端；当TTL驱动信号E＝1时，射频输入端与射频输出1端导通，射频输入端与输出2、3、4端断开；当TTL驱动信号E＝2时，射频输入端与射频输出2端导通，射频输入端与输出1、3、4端断开；当TTL驱动信号E＝3时，射频输入端与射频输出3端导通，射频输入端与输出1、2、4端断开；当TTL驱动信号E＝4时，射频输入端与射频输出4端导通，射频输入端与输出1、2、3端断开。

所述外部接口模块为射频连接器。

所述射频连接器为2.92mm female射频连接器。

所述开关控制模块为NI USB-6509高速数字I/O板卡，该板卡能够控制开关模块的快速切换，该板卡选择USB作为通信接口，便于与工控机的连接。

所述板卡为总线供电且具有96通道TTL/CMOS兼容数字I/O管脚；该板卡的输出低压为0.0V～1.0V，即100uA～24mA；该板卡的输出高压为4.0V～5.0V，即100uA～24mA。

所述开关矩阵中用到的I/O管脚为P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P4.0～P4.7、P5.0～P5.7。

(三)有益效果

本发明的一种开关矩阵，测试仪器端口与被测仪器设备的端口既做到互通互连，又使信号传输通路经过的开关达到最少，实现通道的低损耗，低时延。该开关矩阵能够高准确度、低时延、低损耗的接口适配及信号切换，其适用于频谱分析仪计量校准时信号自动切换。

附图说明

图1本发明的一种开关矩阵的逻辑结构示意图。

图2本发明的一种开关矩阵的内部结构示意图。

图3 R570412100型开关模块的平面图。

图4 R573802420型开关模块的平面图。

图中，1-AC220V电源接口；2-开关电源模块；3-开关控制模块；4-开关模块；5-外部接口模块。

具体实施方式

参见图1-2，本发明的一种开关矩阵，包括开关模块4、外部接口模块5、开关控制模块3和供电模块；所述开关模块4用于连接信号源、频谱仪、功率计、频率计、功分器、1dB步进衰减器、10dB步进衰减器、50Ω匹配负载；所述供电模块包括开关电源模块2和AC220V电源接口1；所述供电模块为AC220V转DC12V的AC/DC模块，所述供电模块为开关模块进行供电；开关矩阵中，参考输出端选择性连接参考输入端或频率计，信号源选择性连接A、B、C、D端，其中A端为所述衰减器的输入端，其中C端为所述功分器的输入端，其中D为第二预留端；所述频谱仪选择性连接E、F、G、H端，其中E端为所述衰减器的输出端，其中F端连接至B端，其中G端为所述功分器的第二输出端，其中H端为第一预留端；所述功分器的第一输出端连接至功率计。

所述开关模块为Radiall公司的开关模块。

所述开关模块的具体型号分别为R570412100型和R573802420型。

参见图3，R570412100是一款带SMA连接器，频率可达18GHz，不保持，12VDC，带TTL驱动，无选项，带焊针SPDT的1选2开关。它的优点是TTL驱动电压小于5.5V，TTL驱动电流小于0.8mA，切换时间为10ms，开关寿命大于200万次，电压驻波比最大值1.40，插入损耗最大值0.35dB，隔离度最小值60dB，且连线少连接简单等优点。开关模块NO、C、NC端为射频信号的连接端，开关模块E、GND、Vcc端为信号控制端和电源供电端。当TTL驱动信号E＝0时，射频信号C与NC导通，C与NO断开；当TTL驱动信号E＝1时，射频信号C与NC断开，C与NO导通。

参见图4，R573802420是一款带SMA2.92mm连接器，频率可达40GHz，不保持，12VDC，带TTL驱动，带焊针SPDT的1选4开关。它的优点是TTL驱动电压小于5.5V，TTL驱动电流小于0.8mA,切换时间为15ms，开关寿命大于200万次，电压驻波比最大值1.90，插入损耗最大值1.10dB，隔离度最小值50dB。其具有一个射频输入端和四个射频输出端，E1、E2、E3、E4为开关模块TTL驱动控制端，GND、Vcc为开关模块电源供电端。当TTL驱动信号E＝1时，射频输入端与射频输出1端导通，射频输入端与输出2、3、4端断开；当TTL驱动信号E＝2时，射频输入端与射频输出2端导通，射频输入端与输出1、3、4端断开；当TTL驱动信号E＝3时，射频输入端与射频输出3端导通，射频输入端与输出1、2、4端断开；当TTL驱动信号E＝4时，射频输入端与射频输出4端导通，射频输入端与输出1、2、3端断开。

外部接口模块为射频连接器。

所述射频连接器为2.92mm female射频连接器。

开关控制模块为NI USB-6509高速数字I/O板卡，该板卡能够控制开关模块的快速切换，该板卡选择USB作为通信接口，便于与工控机的连接。

所述板卡为总线供电且具有96通道TTL/CMOS兼容数字I/O管脚；该板卡的输出低压为0.0V～1.0V，即100uA～24mA；该板卡的输出高压为4.0V～5.0V，即100uA～24mA。

所述开关矩阵中用到的I/O管脚为P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P4.0～P4.7、P5.0～P5.7。

根据JJF 1396-2018《频谱分析仪校准规范》的测试要求，频谱仪的10MHz输出参考一方面是为标准信号源提供共参考的时钟信号，另一方面输出给频率计进行频率准确度的测试，选用1选2的开关模块能够满足要求。

频谱仪在进行电平准确度、频率响应、平均显示噪声电平、垂直刻度测量时，信号源需要将信号分别接入衰减器、频谱仪、功分器，同时考虑备份，所以由信号源输出端的开关模块选择1选4能够满足要求。

在进行频谱分析仪电平准确度的计量时，由标准信号源输出的信号需通过1dB步进衰减器和10dB步进衰减器，经开关矩阵最后传输给频谱仪；在进行平均显示噪声电平测量时，将频谱仪直接切换到预留1；在进行频率响应测试时，将功分器的输出2端经过开关模块4，输入到频谱仪的接收端。在进行上述切换时还需要一个1选4的开关模块以满足需求。

根据开关矩阵逻辑结构示意图，开关控制模块I/O管脚配置情况如表1所示：

表1开关控制模块I/O管脚配置表

表1中开关控制模块I/O管脚P5.2-1控制参考入与参考出通断，P5.2-0控制频率计与参考出的通断，P1.0-1控制信号源与衰减器入的通断，P2.0-1控制衰减器出与频谱仪的通断，P1.1-1,P2.1-1控制信号源与频谱仪的通断，P1.2-1控制信号源与功分器入的通断，P2.2-1控制功分器出1与频谱仪的通断，P1.3-1控制信号源与预留口2的通断，P2.3-1控制频谱仪与预留1的通断。