基于ADS仿真技術(shù)的通信電臺收發(fā)開關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周啟奎

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都，610036）

0 前言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，移動通信、雷達(dá)探測、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)對收發(fā)開關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求越來越嚴(yán)，如隔離度、轉(zhuǎn)換速度、功率容量、集成性等方面。射頻開關(guān)是通訊領(lǐng)域控制信號的傳輸路徑和信號大小幅度的器件,從工作原理上可分為機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)、PIN二極管開關(guān)、EFT場效應(yīng)開關(guān)。機(jī)械開關(guān)和鐵氧體開關(guān)能承受較高功率，但受到切換速度和壽命的影響，不宜應(yīng)用于高速、頻繁切換的電路；PIN二極管開關(guān)因其插入損耗低、隔離度大、開關(guān)速度快、承受功率大、開關(guān)壽命長、電路設(shè)計(jì)靈活多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無線通信、電子對抗、雷達(dá)探測系統(tǒng)等許多領(lǐng)域。無線通信系統(tǒng)的半雙工收發(fā)電路中，一般采用開關(guān)切換技術(shù)來使收發(fā)通道共享一副天線，減少電路的體積和重量。本文所設(shè)計(jì)應(yīng)用的收發(fā)開關(guān)用于某無線通信電臺天線端口至發(fā)射機(jī)和天線端口至接收機(jī)之間的切換，實(shí)現(xiàn)收發(fā)通道共享一副天線。如圖1所示。

圖1 收發(fā)開關(guān)示意圖

1 PIN二極管結(jié)構(gòu)與工作原理

PIN二極管（PIN Diode)簡稱PIN管。PIN管是一種兩端半導(dǎo)體元器件，通常由硅或砷化鎵材料制成，它的結(jié)構(gòu)是在重?fù)诫s的P+和N+區(qū)之間加入一個未摻雜的本征層I層構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 PIN管構(gòu)成示意圖

PIN二極管的工作原理是利用其在直流電壓的控制下，PIN二極管的阻抗隨著I區(qū)載流子數(shù)量的變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)對射頻微波信號的控制，呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或者斷開的阻抗特性，結(jié)合串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)的組合方式，從而實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換作用。

在正向電流偏置下，空穴和電子被注入到I層，使得I層對射頻微波信號只呈現(xiàn)一個線性電阻，阻抗RS最小，接近于短路。其等效電路由一個寄生電感和電阻RS組成，如圖3(a)所示。其中Lint為寄生電感，RS為串聯(lián)等效電阻。在反向偏置時(shí)，I層不會存儲電荷，二極管就等效為一個電容Cj并聯(lián)一個電阻Rr,阻值最大接近于開路，其等效電路如圖3(b)所示。其中Lint為寄生電感，Rr為等效并聯(lián)電阻，Cj為結(jié)電容。

圖3 PIN二極管等效電路

PIN二極管的直流伏安特性和PN結(jié)二極管直流伏安特性一樣，但在射頻微波頻段有著根本的差別。PIN二極管I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生，而不是由微波電流瞬時(shí)值產(chǎn)生，對微波信號只呈現(xiàn)一個線性電阻。此阻值由直流偏置所決定，正偏時(shí)阻值小，接近于短路，相當(dāng)于開關(guān)的“開”狀態(tài)；反偏時(shí)阻值大，接近于開路，相當(dāng)于開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。因此，PIN二極管對微波信號不產(chǎn)生非線性整流作用，和一般二極管有著本質(zhì)的區(qū)別，故此很適合于做射頻微波控制器件。

2 PIN二極管的主要技術(shù)參數(shù)

(1)截止頻率

由于PIN二極管受分布參數(shù)的影響，如管殼電容、引線電感和結(jié)電容作用，其頻帶范圍帶寬是有限的。

式中，RS為正向電阻，Rr為反向電阻，Cj為結(jié)電容。

(2)插入損耗和隔離度

由PIN二極管的等效電路可知，在分布參數(shù)的作用下，在正偏時(shí)開關(guān)的衰減不為零，存在一定數(shù)值的電抗及損耗電阻，此時(shí)的阻抗稱為插入損耗。同理，開關(guān)在關(guān)斷時(shí)受其分布參數(shù)的影響，其衰減也并非無窮大，此時(shí)的阻抗稱為隔離度。隔離度和插入損耗是衡量開關(guān)優(yōu)劣的主要指標(biāo)，工程應(yīng)用中通常希望插入損耗小、隔離度大。對于串聯(lián)型開關(guān)而言，在50Ω的微波射頻系統(tǒng)中，插入損耗為：

其隔離度為：

對于串聯(lián)型開關(guān)而言，在50Ω的微波射頻系統(tǒng)中，插入損耗為：

其隔離度為：

式中，Rs為正偏時(shí)的等效串聯(lián)電阻；Zo為系統(tǒng)阻抗值；Ct為反偏時(shí)的等效結(jié)電容；f為測試頻率。

(3)開關(guān)速率

由于電荷的存儲效應(yīng)，PIN開關(guān)二極管從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，以及從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)都需要一個過程。這個轉(zhuǎn)換過程所需的時(shí)間為開關(guān)時(shí)間，也就是開關(guān)轉(zhuǎn)換速率。

(4)功率容量

射頻微波開關(guān)所能承受的最大輸入功率稱為功率容量。它與PIN管管芯PN結(jié)面積以及電路類型、工作狀態(tài)、散熱條件等有關(guān)。

(5)電壓駐波系數(shù)

電壓駐波系數(shù)反映射頻微波端口輸入、輸出匹配情況。任何高頻信道上的元器件都會產(chǎn)生插入損耗，同時(shí)還會使信號傳輸線上的駐波增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成，這種干涉波是因系統(tǒng)中不同電路、元器件的阻抗不匹配或者電路系統(tǒng)中連接點(diǎn)的阻抗不匹配所造成的。

3 PIN開關(guān)二極管應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述PIN二極管正反偏下不同的阻抗特性，可以用來控制電路的通斷，組成微波射頻開關(guān)電路。在電路應(yīng)用中，一個PIN二極管就可以構(gòu)成一個簡單的單刀單擲開關(guān)，如圖4所示。

圖4 單刀單擲開關(guān)

串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的開關(guān)常常用于寬頻帶和低插損的電路，其最大隔離度取決于PIN二極管在零偏或者反相偏置時(shí)的結(jié)電容Cj，插損和功耗由二極管的正向電阻RS所決定；并聯(lián)型結(jié)構(gòu)開關(guān)電路適合寬頻率范圍，較大隔離度的電路中，隔離度取決于PIN管的正向電阻，插入損耗主要取決于PIN管的反相結(jié)電容。

在工程應(yīng)用中，多擲開關(guān)有更廣泛的應(yīng)用，用2個或者2個以上的PIN管就可以組成一個簡單的單刀雙擲開關(guān)，也通常有3種形式：串聯(lián)型結(jié)構(gòu)、并聯(lián)型結(jié)構(gòu)和串并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 單刀雙擲開關(guān)

根據(jù)系統(tǒng)要求，發(fā)射時(shí)接收端隔離度要求≥30dB，結(jié)合前面對PIN開關(guān)模型的分析，利用ADS仿真系統(tǒng)仿真，提出了一種設(shè)計(jì)方案，電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖

通過綜合考慮和ADS仿真驗(yàn)證，最終選擇MA-COM公司生產(chǎn)MA8334-001和MA4P504-1072T構(gòu)成了一個“串聯(lián)”型電路。根據(jù)PIN二級管的高頻模型和所選管子的主要參數(shù)，利用ADS建模仿真如圖7、圖8所示。

圖7 收發(fā)開關(guān)仿真模型

圖8 ADS模型仿真結(jié)果

用安捷倫8712ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 隔離度、插損、駐波測試數(shù)據(jù)

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4 結(jié)束語

本文仿真設(shè)計(jì)的收發(fā)開關(guān)具有體積小、插入損耗低、反應(yīng)速度快、承受功率大，收發(fā)共用一副天線，有效的減小電路體積和冗余，隔離度等各項(xiàng)指標(biāo)性能滿足某通信系統(tǒng)需求，該方案簡單實(shí)用、穩(wěn)定可靠。