袁瓊琨　汪仁波

摘要：本文在傳統(tǒng)并聯(lián)開關(guān)的公共端引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合電磁仿真，研制出一種新型的寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)。開關(guān)的有效帶寬從8GHz拓寬到12GHz。通過基于大功率開關(guān)失效模式和失效機理的熱分析和最小反向偏壓分析，給出了既安全又經(jīng)濟(jì)的大功率開關(guān)設(shè)計方案。當(dāng)反向偏壓從4V提高到12V時，開關(guān)耐受功率從連續(xù)波1.8W提高到10.15W。設(shè)計選用國產(chǎn)芯片，實現(xiàn)了元器件的自主可控。研制出的寬帶大功率開關(guān)在6GHZ～18GHz內(nèi)小信號下插入損耗小于1.3dB，施加連續(xù)波功率10W時插入損耗小于1.5dB。

關(guān)鍵詞：寬帶;大功率;單刀雙擲;PIN開關(guān);國產(chǎn)化

中圖分類號：TN312+.4;TN710.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0127-04

0 引言

近年來，半導(dǎo)體功放技術(shù)和功率合成技術(shù)迅猛發(fā)展，雷達(dá)通訊系統(tǒng)的輸出功率不斷提高。作為微波系統(tǒng)中的常用控制器件，開關(guān)所需承受的功率也不斷提高。大功率開關(guān)通常有3種結(jié)構(gòu)：機械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)和PIN開關(guān)。機械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)雖然承受功率較高，但其切換速度慢、使用壽命有限。而PIN開關(guān)的優(yōu)勢在于開關(guān)次數(shù)不受限制，開關(guān)速度更快，因而在高速、高可靠的大功率微波系統(tǒng)中發(fā)揮了不可替代的作用[1-3]。同時，隨著超寬帶通信的普及，無線通信系統(tǒng)對寬頻帶、大功率、低損耗PIN開關(guān)的需求越來越迫切[4-6]。

長期以來，以美國為首的西方國家形成聯(lián)盟，對我國實行嚴(yán)格的禁運政策。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的加劇，進(jìn)口電子元器件的供應(yīng)更難以保障，加之在安全隱患、質(zhì)量風(fēng)險等方面的諸多問題，因此，實現(xiàn)關(guān)鍵元器件的自主可控，已然成為一項構(gòu)筑國家信息安全、保衛(wèi)國家獨立外交能力的緊迫而艱巨的任務(wù)。PIN開關(guān)的關(guān)鍵元器件是PIN二極管，經(jīng)過幾十年的攻關(guān)，目前，國產(chǎn)管芯的門類已逐步齊全，大多數(shù)進(jìn)口管芯都能找到國產(chǎn)化替代型號。雖然部分國產(chǎn)型號管芯的性能參數(shù)較進(jìn)口芯片還有差距，但可以從電路的整體設(shè)計上加以彌補，最終達(dá)到工程所需的性能指標(biāo)。

本文在傳統(tǒng)并聯(lián)開關(guān)的公共端引入一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，配合設(shè)計軟件優(yōu)化，大大改善了其帶寬特性。進(jìn)一步分析了大功率開關(guān)的失效模式和失效機理，優(yōu)化了開關(guān)的功率設(shè)計。對比了國產(chǎn)元器件與進(jìn)口元器件的主要參數(shù)，優(yōu)選國產(chǎn)元器件，實現(xiàn)了寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)的國產(chǎn)化設(shè)計。

1 電路分析與設(shè)計

1.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

PIN開關(guān)中的核心元器件是PIN二極管[7]，通常由硅或砷化鎵材料制備，具有以直流低電流低電壓控制大功率的特性。PIN管的結(jié)構(gòu)是在兩層重參雜的P+和N+層中夾一層本征層I層。PIN管的射頻特性主要由I層載流子濃度確定。當(dāng)PIN管正偏時，I區(qū)載流子濃度高，PIN管可等效為小電阻;當(dāng)PIN管反偏時，I區(qū)載流子濃度低，PIN管可等效為電容。

按照PIN管的聯(lián)接方式，開關(guān)電路的基本結(jié)構(gòu)可以分成3大類：串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)[8]。

全串聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)是PIN管芯均以串聯(lián)的方式裝配于微波電路中，如圖1所示。當(dāng)偏置1加高電平，偏置2加低電平時，PIN管D1正偏，等效為小電阻，呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài);PIN管D2反偏，等效為電容，呈現(xiàn)隔離狀態(tài);射頻信號從公共端口到端口1傳輸，端口2處于隔離狀態(tài)。串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是不受波長影響，所以電路帶寬比較寬。缺點是通路上有PIN管芯正向電阻的存在，導(dǎo)致?lián)p耗相對較大。同時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)管芯裝配在電路板上，不易于散熱，因此不適用于有大功率的場合。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)是PIN管芯均以并聯(lián)的方式裝配于微波電路中，如圖2所示。當(dāng)偏置1加高電平，偏置2加低電平時，PIN管D1正偏，等效為小電阻，對地接近短路，經(jīng)過1/4波長傳輸線后轉(zhuǎn)變成開路狀態(tài);PIN管D2反偏，等效為電容，對地接近開路，經(jīng)過1/4波長傳輸線后轉(zhuǎn)變成短路狀態(tài);射頻信號從公共端口到端口2傳輸，端口1處于隔離狀態(tài)。由于傳輸線通路沒有開關(guān)元器件，因而可以獲得較小的插入損耗。同時，由于管芯直接到地，易于散熱，所以適合于大功率的場合。但是，并聯(lián)電路受波長影響大，隨著頻率的改變，1/4波長傳輸線的電長度也會跟著改變，從而引起阻抗失配，直接影響了帶寬特性。

串并聯(lián)電路采用了PIN管芯串、并聯(lián)混合電路方式，如圖3所示。當(dāng)偏置1加高電平，偏置2加低電平時，PIN管D3反偏，等效為電容，呈現(xiàn)隔離狀態(tài);PIN管D1正偏，等效為小電阻，對地接近短路，進(jìn)一步起到隔離作用。PIN管D4正偏，等效為小電阻，呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài);PIN管D2反偏，等效為電容，對地接近開路。射頻信號從公共端口到端口2傳輸，端口1處于隔離狀態(tài)。串并聯(lián)電路比串聯(lián)電路可以實現(xiàn)更高的隔離，比并聯(lián)電路可以實現(xiàn)更寬的帶寬。但是由于電路中有串聯(lián)管芯，不適用于有大功率的場合。

由以上分析可知，大功率開關(guān)一般會采用全并聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了克服傳統(tǒng)并聯(lián)式開關(guān)帶寬窄的缺陷，文中給出了一種改進(jìn)型的單刀雙擲并聯(lián)開關(guān)設(shè)計。改進(jìn)型的開關(guān)在傳統(tǒng)并聯(lián)開關(guān)的公共端引入一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，配合設(shè)計軟件優(yōu)化，帶寬特性得以改善。如圖4所示，在原來的并聯(lián)二極管電路中插入3端1/4波長低阻抗傳輸線。

1.2 功率設(shè)計

在進(jìn)行大功率開關(guān)設(shè)計時，通過熱設(shè)計和反壓設(shè)計，可以避免以下幾種功率故障模式的發(fā)生，有效地提高開關(guān)的功率容量。

1.2.1 熱燒毀

大功率射頻信號下，PIN管的熱燒毀通常發(fā)生在PIN管正偏時。此時，等效電阻在射頻電流的作用下產(chǎn)生熱耗散，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，硅與金的接觸面形成金硅絲狀導(dǎo)電合金體，并迅速生長，直至穿透I區(qū)，PIN管便永久失效。

為避免熱燒毀的發(fā)生，通常的設(shè)計準(zhǔn)則是PIN管最高溫度低于管芯結(jié)溫（硅PIN二極管結(jié)溫通常是175）。

PIN管在大功率射頻信號下的管芯溫度可由如下公式算得：

（1）

（2）

其中，是管芯溫度，是管芯熱阻，是環(huán)境溫度，是管芯耗散功率，是管芯結(jié)電阻，是特征阻抗，是輸入射頻信號平均功率。

1.2.2 反向擊穿

大功率射頻信號下，在PIN管反偏時，三種可能的工作狀態(tài)，如圖5所示。圖中，為二極管反向擊穿電壓，為反向偏置電壓，為射頻峰值功率。

在圖5（a）所示工作狀態(tài)下，，。該工作狀態(tài)下PIN管在任意時刻均能保持反向偏置狀態(tài)，理論上說這是最安全可靠的工作狀態(tài)。但是，這種工作狀態(tài)要求偏置電壓大于射頻峰值電壓。在實際的大功率應(yīng)用中，意味著幾百伏甚至上千伏的偏壓，這是不切實際的。

在圖5（b）所示工作狀態(tài)下，。由電場造成的I區(qū)碰撞電離將導(dǎo)致PIN管的反向擊穿，使得PIN管無法正常工作，因而這是不安全的工作狀態(tài)。為了避免在該狀態(tài)工作，應(yīng)選擇二極管反向擊穿電壓較大的二極管。

1.2.3 注入模式

在圖5（c）所示工作狀態(tài)下，，。在正半周射頻信號作用下，PIN管進(jìn)入正偏狀態(tài)，兩端電子和空穴流入I區(qū);如果在接下來負(fù)半周期，反向偏置電壓過小，無法把這些電荷清空，那么在下一個周期這些移動的載流子會受到強射頻電場的加速;當(dāng)載流子能量足以沖擊I區(qū)晶格中硅原子，把價帶中電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對，將導(dǎo)致PIN管芯無法正常工作?？梢?，在這種情況下，為避免PIN管的注入損壞，反向偏置電壓的選取非常關(guān)鍵。實驗表明，PIN管工作所需的最小反偏電壓數(shù)值等于PIN管在此功率下零偏時建立的直流電壓。對于硅二極管，最小反偏電壓的計算公式如下[1]：

（3）

其中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，fMHZ為微波工作頻率，D為占空比，Wmil為PIN管I層厚度，為最小反偏電壓，為射頻峰值功率，是特征阻抗，是輸入射頻信號平均功率，為端口駐波。從公式（3）可以看到，工作頻率越低，需要反壓越高。I層厚度越小，需要反壓越高。為了降低對反壓的需求，從而降低經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)選擇I層較厚的二極管。

2 實際電路設(shè)計與測量結(jié)果

采用本文中涉及的理論，對寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行了設(shè)計。開關(guān)要求工作頻率6-18GHz，承受連續(xù)波功率10W，工作溫度-40℃～+70℃。

2.1 電路結(jié)構(gòu)和器件選擇

在實際電路設(shè)計中，為了得到更寬的帶寬特性，采用圖4的改進(jìn)型的并聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計成在同一芯片槽位置并聯(lián)兩個PIN管的形式（如圖6所示），這樣，既能提高功率容量，在10W射頻信號輸入條件下，每個管芯只需承受5W的功率;又能保證大功率下的開關(guān)反應(yīng)時間。經(jīng)過仿真優(yōu)化，支路1和支路2特征阻抗選取30Ω，公共特征阻抗選取35Ω，電路輸入輸出設(shè)計基于50Ω系統(tǒng)，電路板采用介電常數(shù)=2.16的，厚度為0.254mm。綜合考慮開關(guān)電特性、耐功率及國產(chǎn)化需求，PIN管芯選擇南京電子器件研究所的自研芯片WPX0041，表1將WPX0041與Skyworks公司進(jìn)口芯片APD0805的主要參數(shù)進(jìn)行了對比，可以看到，兩款芯片參數(shù)相當(dāng)接近，而且國產(chǎn)WPX0041管芯的結(jié)電容和瞬態(tài)熱阻較小，因而在電性能和耐熱方面都比進(jìn)口管芯要更勝一籌。

2.2 熱設(shè)計

管芯正偏工作時的耗散功率由公式（1）計算得：

。

在工作溫度+70℃下，由公式（2）可知管芯溫度 =99℃，小于175℃結(jié)溫，不會發(fā)生熱燒毀故障。

2.3 反向工作狀態(tài)和反向偏壓的確定

管芯反偏時，為避免反向擊穿和注入模式故障的發(fā)生，應(yīng)使其工作在圖1（c）工作狀態(tài)下，即，，且反向偏置電壓大于由公式（3）確定的最小反偏電壓。

通過公式（3），可以計算出開關(guān)承受連續(xù)波10W所需的最小反偏電壓，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，頻率越低，所需反壓越高。表3進(jìn)一步計算了不同反壓下可承受的最大功率?？梢钥吹剑?dāng)反壓從4V提高到12V時，開關(guān)耐受功率從1.8W提高到10.15W。

在實際應(yīng)用中，為保證開關(guān)正常工作，選擇12V作為開關(guān)反向偏置電壓，即。連續(xù)波功率10W下，由公式（4），得，，而由表1可知，滿足，，因此開關(guān)可以穩(wěn)定工作在圖5（c）狀態(tài)下。

2.4 測量結(jié)果

按照本文的設(shè)計，裝配了開關(guān)小模塊，實物圖見圖7。在6GHz-18GHz頻率范圍內(nèi)，電路仿真數(shù)據(jù)見圖8，小信號實測結(jié)果見圖9。從圖8可以看到，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅在頻率9GHz-17GHz的8GHz帶寬內(nèi)性能較好。而采用改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的開關(guān)帶寬特性得到明顯改善，在頻率6GHz-18GHz的12GHz帶寬內(nèi)損耗都小于1.3dB，有效帶寬展寬了4dB。實測開關(guān)損耗小于1.3dB，駐波小于1.5，隔離度大于25dB，開關(guān)時間小于100ns，完全滿足工程應(yīng)用需求。

對該單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行了功率實驗，輸入功率10W，監(jiān)測開關(guān)輸出功率，測試數(shù)據(jù)見表4。可以看到，開關(guān)大功率損耗僅比小信號情況下增加0.2～0.3dB，這個結(jié)果完全滿足工程的需求。

3 結(jié)語

文中給出的改進(jìn)型單刀雙擲并聯(lián)開關(guān)克服了傳統(tǒng)并聯(lián)式開關(guān)帶寬窄的缺陷，具有帶寬大、插損小、隔離度高、承受功率大等優(yōu)勢，在超寬帶相控陣天線中得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)選用元器件實現(xiàn)國產(chǎn)化，對中美貿(mào)易摩擦背景下半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自主可控發(fā)展具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Robert H. Caverly ， Gerald Hiller. Establishing the Minimum Reverse Bias for a PIN Diode in a High-power Switch [J].IEEE Trans. On Microwave Theory and Tech，1990.38（12）：1938-1943.

[2] 向虎，黃建峰，梁慶山，等.一種VHF波段2000W單刀三擲開關(guān)的設(shè)計[J].雷達(dá)與對抗，2012，32（3）：36-39.

[3] 郁健.C波段大功率單刀四擲收發(fā)開關(guān)的設(shè)計[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2014，34（4）：357-361.

[4] 陳傳軍.超寬帶微波PIN匹配開關(guān)電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（9）：169-171.

[5] 端木義清.寬帶單刀多擲PIN開關(guān)的設(shè)計[J].雷達(dá)與對抗，2005（4）：54-56.

[6] 吳青鋒，張曉苗，應(yīng)濤，等.一種改進(jìn)型寬帶SPDT開關(guān)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2009，36（5）：9-11.

[7] 懷特JF.微波半導(dǎo)體控制電路[M].北京：科學(xué)出版社，1982.

[8] 清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1975.

Domestic Design of a Broadband High-power SPDT Switch

YUAN Qiong-kun，WANG Ren-bo

（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing Jiangsu? 210016）

Abstract：In this paper， a broadband high-power SPDT switch is developed by adding a pair of matching sections to the common node of the conventional shunt switch. Effective bandwidth is broadening from 8 GHz to 12GHz. A reliable and economical solution is further proposed for the high power switch by the thermal design and the minimum reverse bias establishing based on the high-power failure mechanisms. The continuous power capacity of the switch can be increased from 1.8W to 10.15W by increasing the reverse bias from 4V to 12V. Domestic chips are applied to realize the self-control of components. The measured insertion loss of the switch at small signals is less than 1.3dB at 6to 18 GHz， and less than 1.5dB with the continuous power of 10W applied.

Key words：broadband;high-power;SPDT;PIN switch;Domestic