嵌入吸收式單刀八擲開(kāi)關(guān)電路

王 玲，唐小宏，肖 飛，楊劉君

嵌入吸收式單刀八擲開(kāi)關(guān)電路

王 玲，唐小宏，肖 飛，楊劉君

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 611731)

提出了一種嵌入吸收式單刀八擲開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)。利用PIN二極管的通斷特性，設(shè)計(jì)了1個(gè)在14～18 GHz頻率范圍內(nèi)的吸收式單刀八擲(SP8T)開(kāi)關(guān)電路，導(dǎo)通損耗小于3.9 dB，輸出端回波損耗大于10 dB；隔離度大于60 dB，輸入、輸出端回波損耗大于12 dB。該電路將吸收電阻嵌入在基片下接地板內(nèi)，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的吸收式開(kāi)關(guān)電路，具有在導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗略??；在關(guān)斷狀態(tài)下輸出端反射信號(hào)較小。該嵌入吸收式結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于吸收式的衰減電路及限幅電路中。

嵌入吸收式; 匹配電路; 寄生參數(shù); 單刀八擲開(kāi)關(guān); 表面波

單刀多擲開(kāi)關(guān)是微波系統(tǒng)中控制電路的重要部件，控制微波信號(hào)的選頻轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用于電子對(duì)抗、相控陣?yán)走_(dá)、微波通信及微波測(cè)量等領(lǐng)域。

開(kāi)關(guān)電路從原理上分為吸收式和反射式兩種結(jié)構(gòu)[1]。反射式開(kāi)關(guān)具有導(dǎo)通狀態(tài)損耗小的特點(diǎn)，但關(guān)斷狀態(tài)下，具有反射系數(shù)大的缺點(diǎn)；而吸收式開(kāi)關(guān)具有在關(guān)斷狀態(tài)下反射系數(shù)小的特點(diǎn)，因而可以保障系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)可靠性，在許多情況下反射式開(kāi)關(guān)無(wú)法替代，但吸收式開(kāi)關(guān)以犧牲損耗及帶寬為代價(jià)。在雷達(dá)及通信等系統(tǒng)中常需要隔離度高，功率容量較大的單刀多擲開(kāi)關(guān)電路，且隨著雷達(dá)和通信系統(tǒng)的發(fā)展及對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求越來(lái)越苛刻，在關(guān)斷狀態(tài)下，輸出端反射信號(hào)大，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。從工程應(yīng)用的角度，吸收式開(kāi)關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)可以降低系統(tǒng)的級(jí)間牽引，而該特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師具有強(qiáng)烈的吸引力。

開(kāi)關(guān)電路有單片集成(MMIC)和混合集成兩種工藝制作方式。單片集成的芯片開(kāi)關(guān)電路具有導(dǎo)通狀態(tài)損耗小、帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，但隔離度小，功率容量小[2-6]；目前有高功率的開(kāi)關(guān)芯片[7-10]，但隔離度很難大于50 dB?；旌霞砷_(kāi)關(guān)電路具有隔離度高、功率容量大的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)通狀態(tài)損耗較大，帶寬有限，盡管如此，單刀多擲的混合集成開(kāi)關(guān)電路在某些雷達(dá)及通信系統(tǒng)中難以取代。

文獻(xiàn)[11]研制了1～18 GHz單刀五擲(SP5T)吸收式開(kāi)關(guān)電路，采用混合集成電路工藝，實(shí)現(xiàn)了插入損耗小于3.5 dB，隔離度大于60 dB，輸入端和輸出端的駐波系數(shù)小于2.3；文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)出單刀五擲(SP5T)吸收式開(kāi)關(guān)電路，該開(kāi)關(guān)在1～18 GHz內(nèi)插入損耗小于3.5 dB，駐波系數(shù)小于2.2，隔離度大于60 dB；文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的寬帶高隔離度單刀四擲(SP4T)PIN吸收式開(kāi)關(guān)電路，在50～40 GHz內(nèi)插入損耗小于6.8 dB，輸入端和輸出端的駐波系數(shù)小于2，隔離度大于100 dB。以上3種吸收式單刀多擲(SPMT)開(kāi)關(guān)的吸收電路均采用串-并式結(jié)構(gòu)，即吸收電阻與二極管并聯(lián)后串聯(lián)在輸出端最后一只并聯(lián)的二極管后面。文獻(xiàn)[14]采用異質(zhì)結(jié)砷化鎵PIN二極管制作了反射式單刀八擲(SP8T)開(kāi)關(guān)電路，該電路采用一個(gè)單刀雙擲和2個(gè)單刀四擲相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)全串聯(lián)的MMIC SP8T開(kāi)關(guān)電路。在0.05～40 GHz頻率范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)損耗小于2 dB，隔離度大于30 dB。MMIC的開(kāi)關(guān)其插入損耗小，帶寬寬，但隔離度小。文獻(xiàn)[15]吸收式SP8T開(kāi)關(guān)電路Model F9180W的指標(biāo)，在12.4～18 GHz頻率范圍內(nèi)導(dǎo)通損耗為4.4 dB，駐波系數(shù)為2.0，隔離度為55 dB；文獻(xiàn)[16]發(fā)布的吸收式SP8T開(kāi)關(guān)電路指標(biāo)，在12～18 GHz頻率范圍內(nèi)導(dǎo)通損耗4.3 dB，駐波系數(shù)1.8，隔離度60 dB。

根據(jù)開(kāi)關(guān)電路理論[1]，隨著開(kāi)關(guān)支路增加及工作頻率提高，其導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗將會(huì)增加，加之采用吸收式的結(jié)構(gòu)，單刀多擲開(kāi)關(guān)的損耗更嚴(yán)重。

本文針對(duì)在高隔離狀態(tài)輸出端反射系數(shù)小及導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗盡可能小，SP8T開(kāi)關(guān)電路采用混合集成電路工藝，設(shè)計(jì)出14～18 GHz具有吸收反射信號(hào)功能的并-串式吸收型SP8T開(kāi)關(guān)電路。該電路將吸收電阻嵌入基片下的底板內(nèi)，SP8T開(kāi)關(guān)電路在滿足高隔離狀態(tài)下，不僅在關(guān)斷支路中輸入、輸出端的反射系數(shù)較小，且在導(dǎo)通支路中損耗及輸出端的反射系數(shù)也較小，比文獻(xiàn)[11-16]的吸收電阻安裝結(jié)構(gòu)的電路具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)二極管在電路中的安裝形式不同，開(kāi)關(guān)可分為全串型、全并型及串-并型結(jié)構(gòu)[1,14]，文獻(xiàn)[14]定量描述了3種類(lèi)型開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)。折中開(kāi)關(guān)的損耗、隔離度及帶寬的指標(biāo)，在寬帶及微波頻率較高的多擲開(kāi)關(guān)電路，尤其是混合集成電路工藝，常采用串-并型結(jié)構(gòu)。其工作原理是利用PIN二極管在不同偏置下的通斷特性，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)支路的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷狀態(tài)下，按反射信號(hào)的大小又分反射式和吸收式兩種[1]。反射式開(kāi)關(guān)指電路在關(guān)斷狀態(tài)下，信號(hào)被全部反射，輸出端的駐波系數(shù)大，但導(dǎo)通狀態(tài)下，損耗??；而吸收式開(kāi)關(guān)指電路在關(guān)斷狀態(tài)下，反射信號(hào)被電路中某些器件部分吸收，輸出端的駐波系數(shù)較小，但導(dǎo)通狀態(tài)下，損耗略有增加，且隨著頻率提高和開(kāi)關(guān)支路的增加，損耗更嚴(yán)重。

吸收式開(kāi)關(guān)根據(jù)吸收電路的結(jié)構(gòu)又分串-并式吸收和并-串式吸收。串-并式吸收[11-13]電路是指二極管與吸收電阻并聯(lián)后串在電路的輸出端，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)的帶寬較寬，開(kāi)關(guān)速度快，安裝實(shí)現(xiàn)較方便，但損耗較大，且關(guān)斷狀態(tài)下，輸出端駐波系數(shù)較大；而并-串式吸收電路是二極管與吸收電阻串聯(lián)后并在電路的輸出端，如圖1所示，帶寬較窄，但損耗較小，且關(guān)斷狀態(tài)下，輸出端駐波系數(shù)較小。

圖1 并-串吸收式SP8T開(kāi)關(guān)拓?fù)鋱D

針對(duì)工作頻率在14～18 GHz，隔離度≥60 dB的吸收式SP8T開(kāi)關(guān)電路，本文輸入端采用串-并式單刀多擲開(kāi)關(guān)，輸出端采用并-串吸收式電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，輸出端吸收電阻R與二極管芯D4串聯(lián)后再并聯(lián)在其他兩只二極管芯D2，D3之后。D3與D4管間距理論為，在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)支路隔離狀態(tài)下輸出端近似匹配。

并-串吸收式電路在傳統(tǒng)工藝上采用如圖3吸收電阻表面(surface)安裝結(jié)構(gòu)，適用于較低工作頻率開(kāi)關(guān)電路，安裝簡(jiǎn)單、方便。隨著工作頻率的提高，安裝在微帶電路表面的元器件的物理尺寸不可忽略，表面吸收電阻的寄生參數(shù)，導(dǎo)致直通狀態(tài)下傳輸信號(hào)損耗增加；同時(shí)對(duì)關(guān)斷狀態(tài)下反射信號(hào)的吸收效果不理想，從而影響關(guān)斷支路的駐波系數(shù)。

圖3 并-串表面(surface)吸收式開(kāi)關(guān)俯視圖

為了減小惡化程度，本文提出了圖2所示的并-串嵌入(embed)式安裝結(jié)構(gòu)，將吸收電阻嵌入基片下的金屬底板內(nèi)部，即在金屬底板上銑一圓槽，電阻一端電極燒結(jié)在圓槽底部，二極管則燒結(jié)在電阻的另一端電極上，該結(jié)構(gòu)將減小對(duì)表面波的影響，因此對(duì)頻率較高的吸收式開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗改善明顯，同時(shí)也改善了關(guān)斷支路輸出端的駐波系數(shù)。

2 模型仿真及電路測(cè)試結(jié)果

SP8T電路仿真模型如圖4a，基片材料εr=2.22，厚度0.127 mm，選用其型號(hào)為MA4AGS912的梁式PIN二極管串聯(lián)安裝在輸入端的公共端與各支路之間；型號(hào)為MA4P165的PIN二極管芯并聯(lián)安裝在支路的金屬腔底座上；采用高、低阻抗傳輸線，優(yōu)化設(shè)計(jì)輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；各支路均采用腔體開(kāi)槽方法，通過(guò)優(yōu)化槽的尺寸，在所需要的工作頻率內(nèi)抑制TE10波導(dǎo)模式出現(xiàn)，同時(shí)減小各支路間的輻射，提高各支路間的隔離度。

對(duì)以上兩種吸收電阻的安裝結(jié)構(gòu)形式(如圖4b所示)進(jìn)行仿真。圖5為各支路的S參數(shù)仿真曲線，圖5a～圖5d仿真結(jié)果顯示，吸收電阻embed比surface安裝結(jié)構(gòu)在導(dǎo)通狀態(tài)下，損耗、輸出端的駐波系數(shù)及關(guān)斷狀態(tài)下輸入、輸出端的駐波系數(shù)均具有較小的優(yōu)勢(shì)；J2～J7支路的隔離度差別不大，J2～J8支路的駐波系數(shù)差別也不大，如圖5e及圖5f所示。

圖5 吸收端電阻surface及embed安裝仿真曲線比較

比較以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仿真曲線，可見(jiàn)embed吸收式開(kāi)關(guān)電路，不僅在高隔離狀態(tài)下具有輸入、輸出端反射系數(shù)小，相對(duì)帶寬較寬；且在導(dǎo)通狀態(tài)下，具有損耗小，輸出端反射系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。

本文采用embed吸收式SP8T開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)，利用HFSS軟件優(yōu)化仿真及微波混合集成電路工藝，設(shè)計(jì)一款在14～18 GHz頻率范圍內(nèi)的SP8T吸收式開(kāi)關(guān)電路。其導(dǎo)通狀態(tài)下測(cè)試曲線如圖6a所示，損耗小于3.9 dB，輸出端回波損耗大于10 dB(VSWR≤1.92:1)；關(guān)斷狀態(tài)下測(cè)試曲線如圖8b所示，隔離度大于60 dB，輸入和輸出端回波損耗大于12 dB (VSWR≤1.66:1)。

比較圖5及圖6，測(cè)試結(jié)果與仿真曲線略有差異，其原因是仿真模型沒(méi)有考慮輸入、輸出接頭及偏置回路的影響；仿真時(shí)難獲取高精度的二極管模型，僅采用近似模型；電感線圈感應(yīng)值的精度等影響。在實(shí)際的電路中，偏置回路對(duì)開(kāi)關(guān)的性能影響也非常重要[17]。如圖2所示，偏置回路由隔直電容C1、射頻扼流電感L2及射頻旁路電容C2構(gòu)成，既要減小射頻信號(hào)在此損失，又不影響電路的開(kāi)關(guān)時(shí)間，故采用金絲繞制電感及芯片電容，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)偏置回路，獲得較理想的測(cè)試效果，實(shí)物如圖7所示。

圖6 吸收式SP8T開(kāi)關(guān)測(cè)試曲線

圖7 吸收式SP8T開(kāi)關(guān)實(shí)物圖

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文利用HFSS軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)SP8T開(kāi)關(guān)電路的輸入、輸出匹配電路及各管之間的間距，同時(shí)仿真了兩種吸收結(jié)構(gòu)的SP8T開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)仿真結(jié)果，采用混合集成電路工藝，加工了其吸收效果較好的embed吸收式開(kāi)關(guān)電路。從測(cè)試結(jié)果顯示，直通下的損耗、關(guān)斷下輸出端駐波系數(shù)較文獻(xiàn)[15-16]均有較大改善。

由于混合集成電路工藝的特點(diǎn)，各路的焊接金絲尺寸一致性較難控制，加之各路微波路徑的不同，各路之間損耗略有±0.2 dB差異，回波損耗略有±1 dB差異。

本文提出的embed吸收式結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于吸收式衰減器和吸收式限幅器等電路中。改善吸收電路導(dǎo)通下?lián)p耗指標(biāo)，對(duì)提高雷達(dá)及通信等系統(tǒng)性能具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

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編 輯 稅 紅

Embedding Absorptive Single-Pole-Eight-Throw Switch

WANG Ling, TANG Xiao-hong, XIAO Fei, and YANG Liu-jun

(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

An embedding absorptive single-pole-eight-throw (SP8T) switch circuit structure is proposed. The absorptive SP8T switch based on PIN diode ON/OFF characteristic has been designed over a frequency range 14 GHz to 18 GHz with lower transmission loss less 3.9 dB, output return-loss more 10 dB at ON state, and isolation more 60 dB, input/output return-loss more 12 dB at OFF state. Comparing with conventional absorptive switch circuit, the SP8T switch posses the feature with transmission loss less at ON state and output reflection less at OFF state, because absorption resistance in the circuit is embedded in ground board under the substrate. More importantly, the embedding absorptive structure can be applied to absorptive attenuators and absorptive limiters.

embedding absorptive; matching circuit; parasitic parameter; single-pole-eight-throw switch; surface wave

TN99; O44

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.06.006

2014 ? 09 ?14;

2014 ? 12 ? 23

王玲(1962 ? )，女，高級(jí)工程師，主要從事微波毫米波電路及系統(tǒng)方面的研究.