基于介質(zhì)諧振器和PCB技術的SPDT濾波開關

張朋飛，秦 偉，劉 疆，陳建新

(南通大學 信息科學技術學院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，頻譜資源的擁擠問題變得十分嚴峻。為了緩解頻譜資源短缺的問題，時分雙工(time division duplex, TDD)技術應運而生。在TDD通信子系統(tǒng)的射頻前端，開關是一個基本的器件[1-2]，且開關通常與帶通濾波器級聯(lián)使用。近年來，專家學者們將開關和濾波器聯(lián)合設計在同一微波器件中，提出了濾波開關的概念。

現(xiàn)有濾波開關大多使用印刷電路板(printed circuit board, PCB)技術實現(xiàn)[3-8]。PCB電路是平面結構，易于實現(xiàn)小型化、輕量化與集成化，且方便焊接PIN二極管來實現(xiàn)開關功能[9-10]。然而，由于PCB電路上微帶諧振器的品質(zhì)因數(shù)較低，因此，基于PCB技術的濾波開關在導通狀態(tài)下的帶內(nèi)插入損耗通常較大，很難滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求。介質(zhì)諧振器因其高品質(zhì)因數(shù)、高功率容量等優(yōu)點被廣泛應用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中[11-14]。介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因數(shù)可以達到微帶諧振器的幾十倍甚至更高。因此，介質(zhì)諧振器濾波器的帶內(nèi)插入損耗比微帶濾波器小得多，通常在1 dB以內(nèi)。然而，傳統(tǒng)的介質(zhì)諧振器濾波器不能集成PIN管，難以用于設計濾波開關。

本文基于介質(zhì)諧振器和PCB技術設計了一種單刀雙擲(single pole double throw, SPDT)濾波開關，其結構如圖1所示。

圖1 SPDT介質(zhì)濾波開關結構示意圖

圖1主要包括2部分：①實現(xiàn)濾波功能的介質(zhì)諧振器濾波器部分；②實現(xiàn)開關功能的PCB部分。PCB電路覆蓋在介質(zhì)諧振器濾波器上方，替代原有金屬蓋子。本設計的濾波功能和開關功能由不同部分實現(xiàn)，相互影響很小，因此，可以分別獨立設計，大大降低了設計難度。開關電路的導通狀態(tài)等效為一段傳輸線，且基本沒有信號從PIN管流過，所以開關電路不會造成過多的額外插入損耗。為了驗證本設計，我們加工并測試了一個二階濾波開關實例。測試結果表明，與傳統(tǒng)單純PCB濾波開關相比，本設計具有更低的插入損耗和更高的隔離度。

1 開關電路設計

由圖1可以看到，介質(zhì)濾波器的饋電部分由微帶傳輸線連接金屬探針組成，其中，端口1為輸入端口。為便于下文的描述，本文將金屬探針2的輸出端口用1′表示，端口1′經(jīng)過PCB電路上的SPDT開關電路，分別從端口2或端口3輸出，SPDT開關電路的原理圖及等效電路圖如圖2所示。

圖2 SPDT開關電路的原理圖及等效電路圖

當PIN管零偏或反偏時，由于PIN管自身存在寄生效應，其等效為一個小電容(Coff)，分析的時候視為開路；當PIN管正偏時，可簡化為一個小電阻(Ron)，分析的時候視為短路。

進一步分析該SPDT開關電路。由于其結構對稱，所以只需分析其中的一條通路即可，單條通路開關電路的結構如圖3所示。

圖3 SPDT開關電路中單條通路的結構示意圖

本文中PCB板采用的是Rogers RO4003C，相對介電常數(shù)為3.55，損耗角正切為0.002 7，厚度為0.813 mm。為了減小輻射損耗，PCB采用接地共面波導(coplanar waveguide ground, CPWG)結構，PCB板上、下兩層金屬地通過諸多金屬化通孔進行連接。當PIN管截止時，該開關電路是一個加載開路枝節(jié)的二階帶阻濾波器，此時通路關閉。通過調(diào)節(jié)枝節(jié)線的長度，可以改變阻帶的中心頻率。枝節(jié)1和枝節(jié)2的長度、枝節(jié)1與枝節(jié)2之間的距離均約為中心頻率對應的1/4波長。目標中心頻率為1.75 GHz，建模并仿真了一個這樣的帶阻濾波器，仿真結果如圖4所示。圖4a中，阻帶的中心頻率為1.75 GHz，當阻帶抑制達到50 dB時，阻帶的寬度約為100 MHz。將PIN管導通，則枝節(jié)1和枝節(jié)2終端變?yōu)槎搪?，?.75 GHz時，這2個枝節(jié)的輸入阻抗接近無窮大，對信號的傳輸基本沒有影響，此時整個通路等效為一段傳輸線，見圖4b，1.75 GHz處的插入損耗僅為0.38 dB。

圖4 開關電路中單條通路的仿真結果圖

2 介質(zhì)諧振器濾波器設計

本節(jié)設計的介質(zhì)諧振器帶通濾波器結構如圖5所示。其中，金屬探針被用來對介質(zhì)諧振器的主模TE01δ模進行饋電，諧振器之間耦合通過耦合窗來實現(xiàn)。為了方便后期調(diào)試，每個介質(zhì)諧振器正上方均設置介質(zhì)調(diào)諧盤。

圖5 介質(zhì)諧振器濾波器結構示意圖

濾波器的設計過程遵循經(jīng)典的耦合諧振器理論[15]。首先，根據(jù)濾波通帶中心頻率確定介質(zhì)諧振器的尺寸，使得介質(zhì)諧振器的主模TE01δ模的諧振器頻率與所要求的濾波通帶中心頻率(1.75 GHz)一致；然后，根據(jù)濾波通帶的性能要求，即相對帶寬FBW=0.6%、帶內(nèi)回波20 dB，得到濾波器的耦合參數(shù)：端口1到介質(zhì)諧振器1的耦合量MS1=1.24，介質(zhì)諧振器1和介質(zhì)諧振器2之間的耦合量M12=1.72，介質(zhì)諧振器2到端口2的耦合量M2L=1.24。外部品質(zhì)因數(shù)Qe及耦合系數(shù)m12分別為

(1)

m12=FBW·M12=0.01

(2)

根據(jù)(1)式和(2)式可以得到饋電結構和耦合結構的尺寸，進而在電磁仿真軟件中建模仿真。本文使用的介質(zhì)材料相對介電常數(shù)為38，損耗角正切為0.000 1。優(yōu)化后的二階介質(zhì)諧振器濾波器的仿真結果如圖6所示。

圖6 介質(zhì)諧振器濾波器的仿真結果

圖6顯示濾波通帶滿足設計要求，但在通帶的兩邊各產(chǎn)生了一個傳輸零點。傳輸零點距離濾波通帶較遠，基本不影響濾波通帶性能。綜合出實際的耦合矩陣為

(3)

(3)式中，S、R1、R2、L分別表示端口1、介質(zhì)諧振器1、介質(zhì)諧振器2、端口2。除了主耦合MS1、M12、M2L外，同時還產(chǎn)生了交叉耦合MS2、MSL、M1L。由于交叉耦合遠小于主耦合，所以在距離通帶較遠的頻點產(chǎn)生了2個傳輸零點。

3 SPDT濾波開關的設計、測試及分析

將上述介質(zhì)諧振器濾波器和開關電路結合，即可得到SPDT濾波開關。PCB上SPDT開關電路的具體結構如圖7所示。電容C1、C2和C3均用于隔直，且容值均為620 pF。其中，C1和C2用于保護測試儀器；C3用于將2條通路的直流分量隔開，以便單獨對2條通路進行開和關的控制。偏置電阻R為3 kΩ。PIN管為Skyworks SMP1340-079LF，其工作頻率在2 GHz以上，高于本設計的濾波通帶。當PIN管零偏時，等效電容Coff為0.3 pF；當PIN管正偏(30 V)時，等效電阻Ron為1 Ω。

圖7 SPDT介質(zhì)濾波開關的俯視圖

為了驗證本設計，對其進行了加工及測試。所加工的濾波開關實物圖如圖8所示。

圖8 實物圖

其中，圖8a是介質(zhì)諧振器濾波器部分；圖8b和圖8c分別是PCB開關電路正面和反面；圖8d是將介質(zhì)諧振器濾波器和PCB開關電路組裝后的整體實物圖。測試時，偏置電壓設置為30 V。仿真與測試結果如圖9所示，濾波通帶的中心頻率和相對帶寬分別為1.75 GHz和0.6%。當端口2打開而端口3關閉時，通帶內(nèi)插入損耗為0.92 dB，回波損耗優(yōu)于19 dB，隔離度優(yōu)于47 dB；當端口2關閉而端口3打開時，通帶內(nèi)插入損耗為0.94 dB，回波損耗優(yōu)于20 dB，隔離度優(yōu)于47 dB。端口2和端口3的通帶特性及隔離度差別不大，且與仿真結果基本吻合。隔直電容C3的引入破壞了對稱性，使得2條通路的回波損耗有較小的差異。由圖9可以看出，通帶附近的零點向遠處偏移，這是由于裝配時饋電探針的長度和位置存在誤差而造成的。對于射頻微波可開關元件，其開關轉(zhuǎn)換速度取決于PIN管對直流偏置的響應時間，與電路采用的技術關系不大。本文采用的PIN管的響應時間在毫秒量級，因此，本設計中開關轉(zhuǎn)換速度也在毫秒量級。

圖9 仿真與測試結果

所設計的SPDT濾波開關與已報道相關設計的性能對比如表1所示。從表1可以看出，與傳統(tǒng)單純PCB濾波開關相比，本設計同時具有更窄的帶寬、更低的插入損耗和更高的隔離度。

表1 與現(xiàn)有相關設計的性能對比

4 結束語

本文基于介質(zhì)諧振器和PCB技術設計了一種SPDT濾波開關。其濾波功能在介質(zhì)諧振器部分實現(xiàn)，開關電路在PCB電路上實現(xiàn)。濾波功能和開關功能可以獨立設計，降低了濾波開關的設計難度。此外，所設計的濾波開關損耗低、隔離度高，為窄帶無線通信TDD子系統(tǒng)提供了一個很好的選擇。