寬帶小型化高隔離度SPDT開關(guān)的研制

摘要：微波開關(guān)是微波控制電路中的基本部件，是實(shí)現(xiàn)在各種惡劣環(huán)境和特定的空間內(nèi)將微波信號(hào)進(jìn)行切換的特定功能元件，它在雷達(dá)、電子對抗、微波通信、衛(wèi)星通信以及微波測量等方面有著廣泛的應(yīng)用。在此通過合理的電路布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合微組裝工藝，實(shí)現(xiàn)了在3～12 GHz范圍內(nèi)，插入損耗小于3．2 dB，隔離度大于70 dB，整體尺寸小于20 mm×15 mm×10 mm的一種寬帶小型化SPDT開關(guān)。
關(guān)鍵詞：SPDT開關(guān)；寬蒂；小型化；高隔離度；微組裝

0 引言
    現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子系統(tǒng)的地位與日俱增，現(xiàn)代雷達(dá)、現(xiàn)代通信、制導(dǎo)武器和電子對抗等系統(tǒng)對微波控制電路的性能指標(biāo)提出了愈來愈高的要求，主要表現(xiàn)在：信號(hào)頻段的不斷上升、占用帶寬的不斷擴(kuò)大、電路體積的不斷縮小、關(guān)斷時(shí)隔離度的不斷提高等，因此研究一種低插損、寬頻帶、高隔離度、小型化的微波開關(guān)已顯得至關(guān)重要。

1 工作原理
    最簡單的PIN二極管單刀雙擲開關(guān)，其基本電路連接主要有并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)型3種，如圖1所示。它們分別由2個(gè)并聯(lián)、2個(gè)串聯(lián)型或者2個(gè)并聯(lián)加2個(gè)串聯(lián)型單刀單擲開關(guān)并接構(gòu)成。在并聯(lián)型開關(guān)中，2個(gè)PIN二極管D1和D2分別并接于離分支接頭點(diǎn)1／4波長處。如果D1處正向?qū)?，D2處于反向截至狀態(tài)，則通道A無功率通過。因?yàn)閺慕宇^參考面向通道A看過，輸入阻抗為無限大。而B通道D2處近似開路，故不影響功率通過。這時(shí)，輸入的微波信號(hào)全部從B通道輸出，反之，當(dāng)D1截至，D2導(dǎo)通時(shí)，輸入信號(hào)全部從A通道輸出。顯然，在串聯(lián)型開關(guān)中，當(dāng)D1導(dǎo)通，D2截至?xí)r，通道A為導(dǎo)通通道而B為斷開通道；當(dāng)D1截至，D2導(dǎo)通時(shí)，通道B為導(dǎo)通通道而A為斷開通道。在串并聯(lián)型開關(guān)中，當(dāng)二極管D1、D4正向，D2、D3反向時(shí)，信號(hào)和通道A接通，相反時(shí)和通道B接通。由于有串并聯(lián)二極管共同起作用，故指標(biāo)較高。由此可見，只要控制PIN二極管的工作狀態(tài)，就能使信號(hào)在2條不同的通道中換接，實(shí)現(xiàn)單刀雙擲的功能，且由于單管開關(guān)的隔離度和帶寬比較小，若要取得更高的隔離度和更寬的頻帶，就需采用多管級(jí)聯(lián)，組成陣列式開關(guān)。

2 設(shè)計(jì)方案
2．1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
    關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有：工作頻率為3～12 GHz；插入損耗≤3．5 dB；輸入輸出駐波比≤2；隔離度≥70 dB；幅度一致性≤1．0 dB；供電電壓±5 V。
2．2 器件選取
    PIN二極管開路和短路特性好、控制速度快、微波損耗小、可控功率容量大，而且具有比較理想的開關(guān)特性，所以是微波開關(guān)的首選器件。論文采用的是Skyworks公司的APD0805硅芯片PIN二極管管芯來實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的SPDT開關(guān)，管芯參數(shù)及其SPICE模型如表1所示。

2．3 仿真設(shè)計(jì)
    按照技術(shù)指標(biāo)要求，論文采用12只ADP0805管芯串并聯(lián)構(gòu)成T型SPDT開關(guān)電路。參照廠家提供的SPICE模型參數(shù)(表1)，在Agilent公司高頻仿真軟件ADS中建立二極管模型，并設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖2所示。其中介質(zhì)基片選用的是Rogers公司的RT5880，厚度為0．254 mm，介電常數(shù)為2．2。由圖2仿真結(jié)果可以看出，在3～12 GHz的頻率范圍內(nèi)開關(guān)的插入損耗小于1．5，駐波小于2(反射小于-10 dB)，隔離度大于120 dB。該仿真模型的理論結(jié)果已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)要求。

3 開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)
    將ADS中設(shè)計(jì)好的仿真模型，利用Layout導(dǎo)出并進(jìn)行優(yōu)化布局，最終確定電路板圖，并加工。利用微組裝工藝技術(shù)，用導(dǎo)電膠將PIN管芯、軟基片、金絲電感線圈、射頻絕緣子與腔體粘接，并通過金絲鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。開關(guān)電路中，驅(qū)動(dòng)電路、偏置電路等因素對其微波性能影響非常重要，論文中采用北方華虹公司的BHD-2P2-F35作為開關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片，用金絲電感和芯片電容相結(jié)合實(shí)現(xiàn)偏置電路。最終研制出的開關(guān)如圖3所示，其整體電路尺寸小于20 mm×15 mm×10 mm。測試結(jié)果如圖4所示。

    由測試結(jié)果可以看到，該SPDT開關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，在3～12 GHz的頻率范圍內(nèi)開關(guān)的插入損耗<3．2，端口駐波<2，全頻段范圍內(nèi)隔離度>70 dB，且兩條支路的幅度一致性<0．5 dB。然而無論是插損還是隔離度，仿真曲線都要優(yōu)于測試曲線。這說明直流偏壓的設(shè)置、介質(zhì)板的損耗以微組裝工藝誤差都會(huì)對電路的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語
    論文利用微波高頻仿真軟件ADS仿真設(shè)計(jì)并成功研制出了寬帶小型化高隔離度SPDT開關(guān)，該開關(guān)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均可很好地滿足某通信系統(tǒng)的需求。隨著軍用無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對作為射頻端電路的重要部件之一的射頻開關(guān)要求提出了越來越高的要求，高頻段、寬頻帶、高隔離、低插損、小型化將依然是其未來的發(fā)展方向。