一种快速响应高隔离程控矩阵开关的制作方法

1.本技术涉及电子器件的技术领域，具体而言，涉及一种快速响应高隔离程控矩阵开关。


背景技术：

2.矩阵开关网络是自动测试系统的重要组成部分，担负着控制信号流向的任务，是实现自动测试的接口设计的关键。在自动测试设备中，开关一般分为功率开关、信号开关(矩阵开关)、微波开关，其中，功率开关一般用来对系统的电源进行切换，矩阵开关和微波开关主要用来做信号切换，根据实际终端的测量需求，灵活分配系统的测试资源。
3.目前，自动测试设备中的信号开关系统通常由两个或多个矩阵开关组成，按照各种接口标准相互连接，形成从测试资源到终端的灵活切换。
4.而现有技术中的矩阵开关，通常存在以下问题：
5.1)、由于无线电通信装备种类繁多，无线电信号在空中传播，干扰信号也变得更加复杂，在对干扰信号的定位过程中，需要快速、有效的定位其来源方向，而现有的测向天线多为组阵形式，因此，需要高隔离度快速切换的矩阵开关。但现有的矩阵开关多是基于多用功分电路进行设计的，电路结构设计复杂，且生成成本较高，价格昂贵。
6.2)、现有的矩阵开关电路设计控制距离短，不能满足远距离设备的布置要求。且现有矩阵开关由于采用通用的开关芯片直接进行设计，存在隔离度不够的缺陷。
7.3)、现有的矩阵开关无法达到宽带化要求，频率相应特性不好。


技术实现要素：

8.本技术的目的在于：至少解决上述矩阵开关中存在问题中的一个。
9.本技术的技术方案是：提供了一种快速响应高隔离程控矩阵开关，该矩阵开关包括：壳体以及开关组；壳体的内部设置有屏蔽结构，屏蔽结构将壳体的内部划分为多个腔室，其中，第一腔室位于壳体内部的中间区域，多个第二腔室分布于第一腔室的外侧与壳体内壁之间；开关组包括第一开关和第二开关，第一开关设置于第一腔室内，第二开关设置于第二腔室内，第二开关的一端设置于矩阵开关的输入端，第二开关的另一端连接于第一开关的输入端，第一开关的输出端设置于矩阵开关的输出端。
10.上述任一项技术方案中，进一步地，第一开关为多路选通开关，第二开关为pin开关，pin开关与多路选通开关之间通过射频方式连接。
11.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：开关控制模块，译码器，电荷泵，ttl电平转换电路以及通信接口；通信接口设置于矩阵开关的信号接收端，通信接口与ttl电平转换电路、电荷泵、译码器以及开关控制模块依次串联；开关控制模块的控制输出端电连接于控制线的一端，控制线的另一端依次将第二开关的控制端串联，控制线的另一端还电连接于第一开关的控制端，开关控制模块用于控制第一开关和第二开关的通断。
12.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：多组emi电容组；emi电容组
中至少包括两个串联的emi电容，其中，第一组emi电容组串联在控制线上，第一组emi电容组用于对控制线进行传到干扰隔离，第二组emi电容组串联在矩阵开关的电源线上，第二组emi电容组用于对矩阵开关的电源线进行传导干扰隔离。
13.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：稳压降噪电路；稳压降噪电路设置于通信接口与ttl电平转换电路之间。
14.上述任一项技术方案中，进一步地，第二开关为单刀双掷开关，第二开关的动端电连接于第一开关，第二开关的第一不动端电连接于干扰测向天线，第二开关的第二不动端电连接于隔离电阻的一端，隔离电阻的另一端接地，其中，第二开关与第一开关联动。
15.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：预选电路和均衡电路；预选电路与均衡电路串联后设置于矩阵开关的输出端，预选电路包括八个滤波器，八个滤波器被均分为两组，每组滤波器的两侧分别电连接有一个四选一开关，四选一开关用于控制滤波器的导通，滤波器用于对第一开关的输出信号进行滤波；均衡电路的输入端和输出端分别串联有接地电阻，均衡电路用于对滤波后的第一开关的输出信号进行频率补偿。
16.上述任一项技术方案中，进一步地，均衡电路具体包括：四个电阻，两个电容以及两个电感，其中，第一电阻r1和第二电阻r2串联后分别连接于均衡电路的两端，第三电阻r3的一端电连接于第一电阻r1和第二电阻r2之间，第三电阻r3的另一端分别电连接于第一电容c1的一端以及第一电感l1的一端，第一电容c1的另一端以及第一电感l1的另一端接地，第四电阻r4并联与串联后的第一电阻r1和第二电阻r2的两端，第二电容c2与第二电感l2串联后并联于第四电阻r4的两端。
17.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：放大电路；放大电路串联于四选一开关和均衡电路之间，放大电路用于对滤波后的第一开关的输出信号进行放大。
18.上述任一项技术方案中，进一步地，矩阵开关还包括：输出电容；输出电容设置于预选电路与矩阵开关的输出端之间，输出电容用于对矩阵开关的输出信号进行滤波。
19.本技术的有益效果是：
20.本技术中的技术方案，在壳体内设置屏蔽结构，为每个开关提供一个单独的腔室，通过物理隔离的方式，对矩阵开关中的辐射干扰进行隔离，增加矩阵开关中各个开关的隔离度。本技术还通过对开关分级，设置第一开关和第二开关，并在开关的控制线和电源线上串联多级emi电容，实现了带宽电路的分段滤波，优化了矩阵开关的低噪声、抗干扰性能。
21.在本技术的优选实现方式中，采用硬件电荷泵提升开关控制信号的线路电压的方式，达到了增强线路传输距离的目的，进而解决了矩阵开关远距离程控的问题。
22.在本技术的优选实现方式中，在矩阵开关的输出端设置预选电路和均衡电路，对矩阵开关输出信号进行滤波和频率补偿，实现0.5g到6g的12 倍频程保持衰减特性一致，使得矩阵开关的整体频率相应特性保持一致，减小了不同频率干扰的测向幅度误差。
附图说明
23.本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1是根据本技术的一个实施例的快速响应高隔离程控矩阵开关的示意图；
25.图2是根据本技术的一个实施例的壳体的俯视图；
26.图3是根据本技术的一个实施例的壳体的主视图；
27.图4是根据本技术的一个实施例的矩阵开关控制电路的示意框图；
28.图5是根据本技术的一个实施例的干扰分级屏蔽的示意图；
29.图6是根据本技术的另一个实施例的快速响应高隔离程控矩阵开关的示意图；
30.图7是根据本技术的一个实施例的均衡电路的示意图；
31.图8是根据本技术的一个实施例的级联噪声系数仿真结果的示意图。
具体实施方式
32.为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
33.在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
34.如图1至图3所示，本实施例提供了一种快速响应高隔离程控矩阵开关，该矩阵开关适用于进行无线电测向，以便为无人艇通信抗干扰性能提供保障，满足无线电测向精度的需求，实现高隔离、低噪声、宽带化、远距离程控。
35.该矩阵开关包括：壳体10以及开关组；壳体10的内部设置有屏蔽结构，屏蔽结构将壳体10的内部划分为多个腔室，其中，第一腔室12位于壳体10内部的中间区域，多个第二腔室11分布于第一腔室12的外侧与壳体10内壁之间；
36.具体的，通过设置屏蔽结构，进行分腔设计，将壳体10内的空间进行划分，划分为一个第一腔室12和多个第二腔室11，不仅能够通过物理隔离的方式将模拟信号与数字信号、有用信号和干扰信号进行分开处理，防止相互之间串扰；还能对开关组中各个开关之间的干扰进行滤波屏蔽，提升矩阵开关整体的隔离度。
37.本实施例中，开关组包括第一开关23和第二开关21，以组成多级级联开关电路，其中，第一开关23设置于第一腔室12内，第二开关21设置于第二腔室11内，第二开关21的一端设置于矩阵开关的输入端，用于与干扰测向天线相连，第二开关21的另一端连接于第一开关23的输入端，第一开关23的输出端设置于矩阵开关的输出端。
38.本实施例中，第一开关23为多路选通开关，第二开关21为pin开关， pin开关与多路选通开关之间通过射频方式连接。
39.如图4所示，在本实施例的一个优选实现方式中，该矩阵开关还包括：开关控制模块，译码器，电荷泵，ttl电平转换电路以及通信接口；通信接口设置于矩阵开关的信号接收端，通信接口与ttl电平转换电路、电荷泵、译码器以及开关控制模块依次串联，开关控制模块的控制输出端电连接于控制线22的一端，控制线22的另一端依次将第二开关21的控制端串联，控制线22的另一端还电连接于第一开关23的控制端，开关控制模块用于控制第一开关23和第二开关21的通断，其中，译码器为3-8译码器，第一开关23为八选一开关。
40.具体的，通信接口的输出端电连接于ttl电平转换电路的输入端，通信接口用于接收开关控制信号；ttl电平转换电路的输出端电连接于电荷泵的输入端，ttl电平转换电路用于对接收到的开关控制信号进行电平转换；电荷泵的输出端电连接于译码器的输入端，
电荷泵用于提升电平转换后的开关控制信号的线路电压；译码器的输出端电连接于开关控制模块的输入端，译码器用于对电压提升后的开关控制信号进行译码；最后由开关控制模块实现对第一开关23和第二开关21的通断控制。
41.本实施例中，通过设置ttl电平转换电路将通信接口处的cmos电平转换为rs232电平，之后利用硬件电荷泵提升线路电压，而并非采用通信协议的方式，有效的增加了线路传输控制距离，最小传输距离可达30m。
42.需要说明的是，一般情况下矩阵开关的控制接口采用ttl/cmos电平直接控制，控制时延小但传输距离近，不适合远距离程控应用。如果采用通信协议，虽然能提升通信距离，但矩阵开关中还需增加mcu等微型处理器，同样会增加矩阵开关的时延，不适合高速矩阵开关的应用。
43.因此，本实施例利用增加硬件电荷泵的方式，提升开关控制信号的线路电压，实现增强线路传输距离的目的，进而解决了矩阵开关远距离程控的问题。
44.优选的，矩阵开关还包括：稳压降噪电路；稳压降噪电路设置于通信接口与ttl电平转换电路之间。
45.优选的的，矩阵开关还包括：热插拔保护电路；热插拔保护电路设置于通信接口与稳压降噪电路之间，提升矩阵开关稳定性。
46.进一步的，本实施例中的矩阵开关还包括：多组emi电容组；emi电容组中至少包括两个串联的emi电容，其中，第一组emi电容组串联在控制线22上，第一组emi电容组用于对控制线22进行传到干扰隔离，第二组emi电容组串联在矩阵开关的电源线上，第二组emi电容组用于对矩阵开关的电源线进行传导干扰隔离。
47.具体的，矩阵开关中的干扰路径主要分为传导干扰和辐射干扰，因此，本实施例中采用屏蔽结构和emi电容两种干扰隔离方式，分别对辐射干扰和传导干扰进行抑制，其中，一个emi电容在3ghz频宽范围内最小抑制 40db。
48.具体的，如图5所示，通过屏蔽结构将壳体10内划分为对各腔室，利用第一腔室12作为屏蔽层1，对第一开关23进行辐射干扰隔离保护，同时，将第二腔室11作为屏蔽层2，对第二开关21进行一级辐射干扰隔离保护，并对第一开关23进行二级辐射干扰隔离保护，大大降低了辐射干扰对第一开关23和第二开关21的影响。
49.同时，将多组emi电容组分别串联在控制线22和矩阵开关的电源线上，隔离传导干扰，但是，因为每个emi电容器件对传到干扰的抑制能力有限，一般为40db，所以采用多级传导滤波的形式，将至少两个emi电容串接，一次传导滤波达到40db，二次传导滤波累加则就可以达到80db，提高传导干扰的抑制能力。
50.本实施例中，通过单独屏蔽结合多级传导滤波方式，可以将从电源与控制信号线引入的辐射信号抑制80db以上，大部分频段抑制达到120db。
51.并且，对于通道间的干扰隔离，本实施例中的第二开关21为单刀双掷开关，第二开关21的动端电连接于第一开关23，第二开关21的第一不动端电连接于干扰测向天线，第二开关21的第二不动端电连接于隔离电阻的一端，隔离电阻的另一端接地，其中，隔离电阻为50欧姆，第二开关21 与第一开关23联动，采用同一组控制信号，即第一开关23打开一路，对应的第二开关21动端动作，也开启一路，单刀双掷开关的控制采用3-8译码器实现三线控制八种状态，第二开关21开启的一路导通，未开启的通道切换到50欧姆负载，交流接地，大幅
度增强通道之间隔离度。
52.如图6所示，由于宽带输入会接收到更多的干扰，为了避免一点饱和就会导致全频段失效，在本实施例的一个优选实现方式中，矩阵开关还包括：预选电路30和均衡电路50；预选电路30与均衡电路50串联后设置于矩阵开关的输出端，预选电路30包括八个滤波器，八个滤波器被均分为两组，每组滤波器的两侧分别电连接有一个四选一开关，四选一开关用于控制滤波器的导通，滤波器用于对第一开关23的输出信号进行滤波；均衡电路50的输入端和输出端分别串联有接地电阻，均衡电路50用于对滤波后的第一开关23的输出信号进行频率补偿。其中，接地电阻为50欧姆。
53.具体的，根据第一开关23输出信号宽带的频率范围，将6ghz的带宽切割成四段，每段1.5ghz，并选择具备相应滤波能力和频率响应特性的滤波器，以便采用分立器件搭建均衡电路50。
54.考虑到50欧姆是微波射频电路的特性阻抗，在50欧姆阻抗下高频交流信号的传输特性最佳，因此，在均衡电路50的输入端和输出端分别串联 50欧姆的接地电阻，为了将不用的端口更好的接地，优化矩阵开关的干扰隔离效果。
55.如图7所示，本实施例示出一种均衡电路50的实现方式，均衡电路50 具体包括：四个电阻，两个电容以及两个电感，其中，第一电阻r1和第二电阻r2串联后分别连接于均衡电路50的两端，第三电阻r3的一端电连接于第一电阻r1和第二电阻r2之间，第三电阻r3的另一端分别电连接于第一电容c1的一端以及第一电感l1的一端，第一电容c1的另一端以及第一电感l1的另一端接地，第四电阻r4并联于串联后的第一电阻r1和第二电阻r2的两端，第四电阻r4为74欧姆，第二电容c2与第二电感l2 串联后并联于第四电阻r4的两端。
56.本实施例中设定一个均衡电路50中各参数如下：第一电阻r1和第二电阻r2的阻值为50欧姆，第三电阻r3为76欧姆，第一电容c1为500ff，第二电容c2为5pf，第一电感l1为3.3nh，第二电感l2为180ph。
57.具体的，通过设置均衡电路50对矩阵开关中的频率进行补偿，拟合出与开关频率相应特性相反的曲线进行互补抵消，以便实现0.5ghz到6ghz 的12倍频程保持衰减特性的一致，避免频率相应特性影响不同频率干扰的测向幅度误差。通过均衡电路50的反向补偿后，本实施例中的矩阵开关在 6ghz频率相应特性误差在1db以内。
58.进一步的，矩阵开关还包括：放大电路40；放大电路40串联于四选一开关和均衡电路50之间，放大电路40用于对滤波后的第一开关23的输出信号进行放大。
59.本实施例采用分段滤波的方式，将一路宽带通道人为的分为四路进行分段滤波，使得设备在某一段有强干扰时，不会影响其他频段的干扰检测，分段滤波可以作为前级的信号预选电路30。预选电路30滤波后，信号相对干净很多，可以将弱信号进行放大，这里的放大电路40是低噪声放大电路 40，避免由于放大电路40产生的噪声引入到接收机系统中，前级经过放大的优点是提高了信号的幅度，更方便辨识；对于后端的线缆损耗可以有效的弥补，这样整个系统的噪声系数就可以控制的很小。
60.如图8所示，第一级为开关损耗0.5db，噪声系数为0.5db，第二级增加一级低噪声，噪声系数为0.6db，增益为15db，后面依次是开关，滤波器，线缆损耗，系统级联的噪声系数为1.62db，增益为7db。
61.本实施例中，矩阵开关还包括：输出电容；输出电容设置于预选电路 30与矩阵开
关的输出端之间，输出电容用于对矩阵开关的输出信号进行交流滤波。
62.以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了一种快速响应高隔离程控矩阵开关，该矩阵开关包括：壳体以及开关组；壳体的内部设置有屏蔽结构，屏蔽结构将壳体的内部划分为多个腔室，其中，第一腔室位于壳体内部的中间区域，多个第二腔室分布于第一腔室的外侧与壳体内壁之间；开关组包括第一开关和第二开关，第一开关设置于第一腔室内，第二开关设置于第二腔室内，第二开关的一端设置于矩阵开关的输入端，第二开关的另一端连接于第一开关的输入端，第一开关的输出端设置于矩阵开关的输出端。通过本技术中的技术方案，提高了矩阵开关的隔离度和抗干扰能力，有效提升了矩阵开关的程控距离和通道切换效率。
63.在本技术中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
64.附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本技术的原理进行说明，并非意在对本技术进行限制。
65.尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对实用新型所作的各种变型、改型及等效方案。