劉繼勇，朱滿意

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710032）

4～6 GHz吸收式微波收發(fā)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

劉繼勇，朱滿意

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710032）

微波開(kāi)關(guān)是電子對(duì)抗等系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，開(kāi)關(guān)性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的正常工作，針對(duì)減小噪聲對(duì)電子系統(tǒng)的干擾和提高開(kāi)關(guān)的可靠性、穩(wěn)定性的目的。通過(guò)對(duì)PIN二極管在微波射頻電路中的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并結(jié)合ADS仿真軟件對(duì)PIN管開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種工作頻帶在4~6 GHz，插入損耗最小為0.392 dB，最大為0.403 dB，隔離度最小為75.468 dB，最大為86.928 dB及電壓駐波比最大為1.362的吸收式微波收發(fā)開(kāi)關(guān)。

PIN二級(jí)管；插入損耗；隔離度；吸收式

微波開(kāi)關(guān)是微波控制電路的重要組成部分之一，它在雷達(dá)、微波通信、微波測(cè)量以及電子對(duì)抗系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。過(guò)去出現(xiàn)的微波開(kāi)關(guān)都是反射式類型，雖然反射式開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下駐波比較好，但在截止?fàn)顟B(tài)下駐波很差，信號(hào)在開(kāi)關(guān)處易發(fā)生全反射，會(huì)對(duì)電路造成損害。而吸收式開(kāi)關(guān)則采用負(fù)載吸收PIN二極管反射信號(hào)，當(dāng)端口處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，微波信號(hào)無(wú)反射傳輸?shù)截?fù)載，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)下，信號(hào)無(wú)反射被負(fù)載吸收，從而可以改善各個(gè)端口的駐波比，因此吸收式開(kāi)關(guān)在很多系統(tǒng)和電路中得到廣泛的應(yīng)用[3]。

1 原理分析

1.1 PIN

PIN二極管是微波半導(dǎo)體器件，PIN管有三層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)不同于普通的二極管，不同的是在重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)之間是本征硅層即I層，而且厚度較大，達(dá)十幾到幾十微米，這就是PIN二極管最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]，它可以用很小的直流功率信號(hào)去控制高功率微波信號(hào)，如圖1所示。

圖1 PIN二極管

1.2 正向偏置下的PIN二極管等效模型

PIN二極管處于正向偏置時(shí)，P、N區(qū)的大量載流子向I區(qū)注入，I層結(jié)電阻由兆級(jí)降到1 Ω以下。穩(wěn)態(tài)時(shí)RI=W2/2μaτIO，硅的空穴的遷移率為0.048 m2/ V.s，電子遷移率0.135 m2/V.s，雙極遷移率μa=0.070 8 m2/V.s。設(shè)PIN二極管的I層寬度W=150 μm，載流子壽命τ=2 μs，偏置電流為100 mA，則RI=0.635 6 Ω。正偏情況下除了RS和RI的串聯(lián)外，還存在寄生的電容電感[5]，PIN二極管正向等效模型如圖2所示。

圖2 PIN二極管正向偏置等效模型

Cj和Cp大小為皮法級(jí)，在射頻下其容抗可以達(dá)到100 Ω以上，封裝電感LS是在射頻下，感抗一般小于1 Ω，RS為PIN管正向偏置下等效電阻大約為2.5 Ω，LS封裝電感大約為0.04 nH。為了能很好的分析開(kāi)關(guān)特性，把模型簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3 PIN二極管正向偏置簡(jiǎn)化模型

1.3 反向偏置下的PIN二極管模型

當(dāng)PIN管反偏時(shí)，擊穿電壓大于反偏電壓，此時(shí)PIN管分為耗盡區(qū)和非耗盡區(qū)。耗盡區(qū)可以用Rj和Cj并聯(lián)形式來(lái)表示。Rj為耗盡區(qū)電阻，值一般在Ω數(shù)量級(jí)，Cj為PIN的結(jié)電容，值在pF數(shù)量級(jí)。非耗盡區(qū)可以用Ri和電容Ci并聯(lián)表示，其中Ri的阻值在1 000 Ω以上，Ci的數(shù)量級(jí)為pF，如圖4所示。

圖4 PIN二極管反向偏置等效簡(jiǎn)化模型

從簡(jiǎn)化模型可以分析，Ri＞＞Xi，Rj＞＞Xj，Xi=1/ωCi，Xj=1/ωCj，Rj和Cj的并聯(lián)電阻可以等效為X2j/Rj-jXj，Ri和Ci的并聯(lián)可以等效為X2i/Ri-jXi，可以看出，模型a可以轉(zhuǎn)化為模型b，這時(shí)Ri=X2j/Rj+X2i/Ri，Cj為Ci與Cj的串聯(lián)，最后模型等效為模型c。反向偏置時(shí)，反向電阻Rr=RS+X2i/Ri，Cj大約為0.05 pF，等效為反向電阻與結(jié)電容的串聯(lián)。

2 吸收式開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)是PIN二極管最基本的電路結(jié)構(gòu)[6-7]。下面是PIN開(kāi)關(guān)在串聯(lián)、并聯(lián)以及串并聯(lián)型時(shí)的插入損耗、隔離度估計(jì)公式

串聯(lián)情況下：

并聯(lián)情況下：

串并聯(lián)情況下：

式中，f為信號(hào)頻率，單位為Hz。 從公式可以知道，當(dāng)PIN管在處于正向偏置時(shí)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗主要由正向電阻RS影響，起導(dǎo)通作用[8-9]。當(dāng)PIN管處于反向偏置時(shí)，其隔離度主要受結(jié)電容Cj決定，在高頻情況下，產(chǎn)生的阻抗很高，起著截止的作用。雖然串聯(lián)結(jié)構(gòu)電路工作頻帶很寬，但是插入損耗較大。并聯(lián)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)卻相反，其插入損耗主要取決于PIN管的反向結(jié)電容Cj，起導(dǎo)通作用。隔離度主要取決于PIN管的正向電阻RS，起截止作用。為了達(dá)到低損耗和高隔離度，應(yīng)選擇較低的正向電阻和結(jié)電容的PIN管，但是并聯(lián)型工作頻帶范圍較小。無(wú)論是全并聯(lián)結(jié)構(gòu)還是全串聯(lián)結(jié)構(gòu)在寬頻帶內(nèi)，對(duì)于單刀多擲開(kāi)關(guān)，這種單一結(jié)構(gòu)受到PIN管參數(shù)和數(shù)量限制，都無(wú)法同時(shí)達(dá)到低損耗和高隔離。

串并聯(lián)型開(kāi)關(guān)同時(shí)考慮了PIN管的正向電阻和反偏結(jié)電容[10-13]，而且其結(jié)構(gòu)可以在很高的頻帶內(nèi)工作，而且有較好的散熱特性，可以選擇這種結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)。在等效電路當(dāng)中，Ls為寄生電感，一般情況下在0.2～1 nH，偏置電路中的電容為0.5 pF，電感約為1 nH。吸收式開(kāi)關(guān)電路原理圖，如圖5所示。

圖5 收發(fā)吸收式開(kāi)關(guān)原理圖

端口1的作用相當(dāng)于公共端，它可以控制信號(hào)，把微波信號(hào)輸入到支路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的切換，在收發(fā)開(kāi)關(guān)公共端存在串聯(lián)PIN管結(jié)電容帶來(lái)的電路失配。為了消除影響，在公共端設(shè)計(jì)為感性，用來(lái)補(bǔ)償PIN管的容性[14]。在公共端后可以采用多管級(jí)聯(lián)的方式來(lái)提高隔離度和更寬的帶寬。為了防止開(kāi)關(guān)在隔離狀態(tài)時(shí)，信號(hào)發(fā)生反射對(duì)電路造成損害，在級(jí)聯(lián)PIN管后加入一個(gè)吸收區(qū)，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，信號(hào)會(huì)被吸收區(qū)中的負(fù)載吸收，保證端口具有較好的電壓駐波比。在端口1為了得到較好的匹配，用Smith圓圖來(lái)匹配網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)數(shù)負(fù)載上電容和電感串聯(lián)，電容大約為19.79 pF，電感為17.037 nH。單刀雙擲吸收式開(kāi)關(guān)有傳輸狀態(tài)和隔離狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，對(duì)于這兩種工作狀態(tài)都具有良好的駐波特性[15]。ADS2011.10版本進(jìn)行仿真，圖6和圖7分別是仿真電路圖及結(jié)果。

圖6 ADS仿真電路圖

圖7 ADS仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出端口1與端口2之間的插入損耗最小為0.392 dB，最大為0.403 dB。端口1和端口3以及端口2與端口3之間的隔離度較為接近，其值在4 GHz時(shí)為大約為76.032 dB，在6 GHz時(shí)為76.032 dB。雖然在4~6 GHz帶寬之間插入損耗都小于0.5 dB，但是隔離度不是太理想，可以看出在8 GHz時(shí)曲線有下滑，其隔離度增大。為了改善在4~ 6 GHz之間的隔離度，需要對(duì)個(gè)別電容參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，把C8和C9參數(shù)從0.5 pF調(diào)整為1 pF，其他保持不變。再次進(jìn)行仿真，圖8為參數(shù)調(diào)整后的仿真結(jié)果。

圖8 參數(shù)調(diào)整后ADS串并聯(lián)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在4~6 GHz頻帶內(nèi)，開(kāi)狀態(tài)時(shí)的插入損耗幾乎沒(méi)有變化，電壓駐波比≦1.31，而在關(guān)狀態(tài)時(shí)隔離度整體有所提高，最大隔離度為86.928 dB，電壓駐波比≦1.37。

3 結(jié) 論

這種高隔離吸收式收發(fā)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，適合批量生產(chǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)表明，在4~6 GHz頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于0.5 dB，隔離度大于75 dB，導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的電壓駐波比小于1.31 dB，截止?fàn)顟B(tài)的電壓駐波比小于1.37 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)允許的差損范圍內(nèi)，可以在電路中級(jí)聯(lián)多個(gè)PIN管來(lái)提高開(kāi)關(guān)的隔離度，該方法也可以應(yīng)用于移相器和衰減器等的設(shè)計(jì)。

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The design of 4～6 GHz absorption microwave transceiver switch

LIU Ji-yong，ZHU Man-yi
（School of Electronic and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

Microwave switch is a key part in electronic countermeasures system.In order to reduce the noise interference to the electronic system and improve the reliability and stability of the switch，so the fit and unfit quality of switch performance directly affect the normal work of the system.Based on the simple introduction of theories of PIN diode in the microwave radio frequency circuit，with the ADS simulation software of PIN tube switching circuit design，simulation and parameter optimization，to design an absorption of microwave transceiver switch which has the characteristics that the work frequency band is from 4 and 6 GHz，the insertion loss is from 0.392 dB to 0.403 dB，the isolation degree is from 75.468 dB to 86.928 dB and the maximum of the voltage standing wave ratio is 1.362.

PIN diode；insertion loss；isolation degree；absorption

TN111

：A

：1674－6236（2017）01-0086-04

2016-01-12稿件編號(hào)：201601080

劉繼勇（1956—），男，陜西禮泉人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：射頻與微波電路。