切換電路設計

本切換電路的設計是為了實現DP8T(Double Pole 7 Throw)的功能，共 14 條獨 立路徑，分別是 TX 端口對應 7 個天線激發端口和 RX 端口對應 7 個天線激發端 口，如圖 3.29 所示，該電路由兩顆 SPDT 和兩顆 SP4T 實現，由 4 位元的數位控 制來切換不同路徑，具有兩種切換線路的方式，一是藉由指撥開關撥動來選擇，二 是使用MCU 進行控制。指撥開關的切換路徑方式是為了後續量測方便所設計的，

與VGA 指撥開關控制增益的設計目的一樣。

圖 3.29 切換電路架構

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圖 3.30 升降頻電路配置

3.6.1 元件介紹

本小節內容承接3.3 晶片選則與考量，所使用的元件見表 3-6 升降頻電路材料 表。

Component Number Freq RF(GHz) Qty

SPDT ADRF5019 100MHz to 13GHz 2 SP4T ADRF5040 DC to 12GHz 2 DIP switch 78J04T DC 3

表 3-18 切換電路材料表

單刀雙擲(Single pole double throw, SPDT)

SPDT 晶片採用 Analog Device 公司的 ADRF5019，它的工作頻率為 100 MHz 至13 GHz，為了保持較高的隔離度，ADRF5019 開關需要+3.3 V 和-2.5 V 雙電源 電壓和正控制電壓輸入，但是 ADRF5019 也具備單電源的工作模式，也就是說可 在施加單個正電源電壓(Vdd)的情況下工作，負電源電壓(Vss)接地，該模式主要影 響P1dB 和 IP3，即使在單電源工作模式下，ADRF5019 也保有 100 MHz 至 13 GHz

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Parameter Typical value Units Frequency Range 100 - 13000 MHz

IP1dB 28 dBm

Input Third Order Intercept Point (IIP3) 55 dBm Insertion Loss

8GHz 13GHz

0.8 1.5

dB Return Loss

8GHz Rise Time and Fall Time

(10% to 90% of RF output) 180 ns

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Digital Control Inputs RF Paths

LS VCTRL RF1 RF2

1 0 ON OFF

1 1 OFF ON

0 0 OFF ON

0 1 ON OFF

表 3-20 SPDT 數位切換控制真值表[24]

單刀四擲(Single pole four throw, SP4T)

SP4T 晶片採用 Analog Device 公司的 ADRF5040，工作頻率為 9 kHz 至 12.0 GHz 範圍，具有高隔離度和低插入損耗，開關使用 3.3 V 和 0 V 的正控制電壓工 作，需要+3.3 V 和-3.3 V 電源，圖 3.32 SP4T 功能圖，表 3-21 SP4T 規格整理，表 3-22 SP4T 數位切換控制真值表。

圖 3.32 SP4T 功能圖[25]

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Parameter Typical value Units Frequency Range 100 - 12000 MHz

IP1dB 37 dBm

Input Third Order Intercept Point (IIP3) 53 dBm Insertion Loss

8GHz

12GHz 0.8

2 dB

Return Loss 8GHz Rise Time and Fall Time

(10% to 90% of RF output) 1.3 us

Digital Control Inputs

Signal Path State

LS VCTRL

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Analysis Unit Power Gain

8GHz

Truth Table

TX/RX V0 V1 V2

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圖 3.33 切換電路的電路圖，SPDT 晶片的引腳 LS 接高電位，由 VCTRL控制切 換路徑，為了減少數位控制腳位，SP4T 的數位控制引腳相接共用，也就是 V1 和 V2 數位腳位同時控制兩個晶片，但這不影響路徑切換，因為前一級的 SPDT 指允 許一條路近導通，因此不會發生兩條路徑同時導通的情況。

圖 3.33 紅色框選處的兩個指撥開關，其功能見圖 3.34，其中一個指撥開關決 定晶片數位引腳的高電位或低電位，另一個指撥開關決定該數位引腳使用手動指 撥控制還是外接MCU 控制。

圖 3.33 切換電路的電路圖

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圖 3.34 指撥開關功能圖

圖 3.35 切換電路之 PCB 線路佈局圖，切換電路頂層(第一層)為 RF 訊號走線 以及元件打樣所使用，第二層作為的RF 的地，同時還隔離了第三層和第四層，因 此可利用第三層和第四層作為電源和數位控制的走線，排針預留兩個Pin 針與地相 連，其中一個作為電源的地，另一個作為數位控制模組的地。

圖 3.35 切換電路之 PCB 線路佈局圖

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圖 3.36 切換電路頂層佈局圖

圖 3.37 切換電路第二層佈局圖

圖 3.38 切換電路第三層佈局圖

圖 3.39 切換電路底層佈局圖

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3.6.4 數位控制

數位控制採用Arduino Uno 板來控制切換電路的切換路徑，Arduino Uno 是一 款基於ATmega328P 的微控制器板(microcontroller board)，它有 14 個數位輸入/輸 出接腳和6 個類比輸入，選擇 Arduino Uno 板作為控制器的具有便宜、編程容易、

開源的軟體和入門門檻低的優點，Arduino Uno 板的實體如圖 3.40。

圖 3.40Arduino Uno 板的實體

圖 3.41 為切換電路的程式碼，將 Arduino Uno 板編號 3、2、1、0 的數位針腳 分別對應切換電路的 TX/RX、V2、V1、V0 腳位，然後藉由電腦下指令的方式操 控切換電路的導通路徑，表 3-25 切換電路數控指令表。

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圖 3.41 切換電路數位控制程式碼

圖 3.42 Arduino 指令介面

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