李群春

摘要：本文在8-12GHz的高頻大功率吸收式PIN開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、制作中，提出了多種新的措施方法，對(duì)于成功研制大功率開(kāi)關(guān)具有重要作用。該開(kāi)關(guān)插入損耗小于1.4dB、駐波比：≤1.3：1、隔離度大于50dB、連續(xù)波功率大于800W。具有高功率容量、高頻帶寬、損耗小的特點(diǎn)，對(duì)于高頻大功率開(kāi)關(guān)的研制，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PIN開(kāi)關(guān)； 吸收式； 功率容量；

中圖分類(lèi)號(hào)：TB61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

在雷達(dá)收發(fā)等電子系統(tǒng)中大功率的高頻開(kāi)關(guān)電路作為控制器件，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的通、斷或轉(zhuǎn)換，其中基于PIN 二極管的微帶型開(kāi)關(guān)電路，因具有耐功率高、響應(yīng)快、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的8-12GHz高頻大功率吸收式開(kāi)關(guān)具有承受連續(xù)波大功率、高隔離度以及低插入損耗的特點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1高頻大功率開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[3-6]

1.1 PIN吸收式開(kāi)關(guān)工作原理

吸收式單刀雙擲開(kāi)關(guān)的原理圖如圖1。K0為輸入端，K1、K2為兩個(gè)輸出端，當(dāng)V1加負(fù)壓即二極管D1為反偏狀態(tài)，D1相當(dāng)于開(kāi)路，所以從輸入端向K1端看，輸入阻抗基本為零，信號(hào)可以到達(dá)K1端口；而V2加正壓即二極管D2正偏狀態(tài)，D2相當(dāng)于短路，它離輸入面的距離為λ/4，所以從輸入端向K2端看，輸入阻抗無(wú)窮大，信號(hào)無(wú)法到K2端口。加正壓時(shí)，電阻R2和L2并聯(lián)然后同D2串聯(lián)到地，R2為50歐姆，所以從K2端口向D2面看，相當(dāng)于50歐姆到地，信號(hào)基本沒(méi)有反射，達(dá)到吸收設(shè)計(jì)要求。

1.2高頻大功率開(kāi)關(guān)電路性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于8-12GHz開(kāi)關(guān)，大功率、低插損、吸收式的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)首次采用單臂三節(jié)全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后一節(jié)加50歐姆和電感到地，使其在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)為吸收態(tài)，而不是全反射。

首次采用三線鍵合工藝和微帶線T型結(jié)設(shè)計(jì)，根據(jù)上述條件進(jìn)行優(yōu)化仿真鍵合線長(zhǎng)度和弧度、T型結(jié)尺寸。試驗(yàn)結(jié)果證明三根并行的金絲鍵合互連比單根或者兩根鍵合線能更好的降低串聯(lián)電感，其效果更加接近平直簡(jiǎn)短的單根引線；微帶線不連續(xù)處采用T型結(jié)設(shè)計(jì)，使之對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懘蠓档停?使微波控制電路的高頻性能更加優(yōu)良，相對(duì)帶寬更寬。這樣的電路插入損耗小，駐波系數(shù)小 可提供相對(duì)較高的隔離度。

建立起電路模型如圖2所示。

1.3高頻大功率開(kāi)關(guān)散熱設(shè)計(jì)和封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高頻大功率開(kāi)關(guān)的一個(gè)難點(diǎn)就是大功率下的散熱和封裝耐功率、耐干擾等設(shè)計(jì)。

首次采用鉬銅金屬基板高溫焊料燒結(jié)工藝。選用全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以保證所有的二極管管芯都能直接接地，把芯片用高溫焊料燒結(jié)在基板上，然后把基板燒結(jié)在金屬封裝的腔體內(nèi)，二極管直接和金屬燒結(jié)一起，芯片背面直接接地散熱，具有散熱快的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化確定金屬基板尺寸和盒體腔體結(jié)構(gòu)，保證了散熱的需求，從而能承受較大的功率。

在高頻大功率時(shí)，盒體的腔體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生諧振和泄漏，使電路高頻插損急劇變差，電磁兼容能力減小等。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)消除腔體可能引起的諧振，輸入輸出采用燒結(jié)絕緣子方式，保證開(kāi)關(guān)盒體為全密封結(jié)構(gòu)，使其可靠性和電磁兼容能力及耐功率擊穿能力大大提高。

2實(shí)際結(jié)果與分析

實(shí)物版圖如圖4。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果如圖5在10GHz頻率下輸入連續(xù)波850W信號(hào)，保持25min，然后測(cè)試指標(biāo)不變，滿足了連續(xù)波功率大于800W的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，由于盒體腔體，鍵合線等影響，在頻率8-12GHz內(nèi)測(cè)試結(jié)果比優(yōu)化指標(biāo)變差一些，但總體上同設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論

本文給出了一種高頻大功率吸收式開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方法。首次采用三根鍵合線并行互連和T型結(jié)的高頻性能設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真對(duì)帶線和散熱金屬基片及盒體結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化得到良好參數(shù)指標(biāo)?？紤]到實(shí)物加工時(shí)盒體腔內(nèi)因素，以及鍵合帶線等對(duì)產(chǎn)品性能有較大的影響。因此在誤差范圍內(nèi)，最終結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)方法可行并且表現(xiàn)出低插損，低駐波的良好性能，承受功率可以達(dá)到連續(xù)波800W以上，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

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