摘 要：高速、超寬帶微波PIN匹配多擲開關(guān)在通信、雷達及電子對抗系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用的重要器件之一。介紹PIN管的工作機理，分析了應(yīng)用PIN管設(shè)計開關(guān)電路時應(yīng)考慮的因素，進而設(shè)計出工作頻率為1~18 GHz的單刀5擲PIN匹配開關(guān)電路，經(jīng)測試在頻率為1~18 GHz范圍內(nèi)，插損小于3.5 dB，隔離度大于60 dB，開關(guān)時間小于30 ns。

關(guān)鍵詞：PIN開關(guān);匹配;隔離;寬帶

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-169-02

Design of Ultra-wideband Microwave Matching PIN Switch Circuit

CHEN Chuanjun

(Jinling Institute of Technology，Nanjing，210001，China)

Abstract：High speed，ultra-wideband and microwave matching PIN multi-throw switch is one of the important apparatus widely applied in communication，radar and electronic counter systems.This article introduces principle of PIN，analyses the factor considered when design switch circuit using PIN.Then，a single-pole five-throw matching PIN switch circuit at 1～18 GHz is designed.Through testing，the main performances of an insertion loss of less than 3.5 dB，the isolation of more than 60dB and the switch time of less than 30ns are obtained.

Keywords：PIN switch;matching;isolation;wideband

1 引 言

微波開關(guān)是用于控制微波信號傳輸路徑及信號大小的控制器件之一，在微波技術(shù)的許多領(lǐng)域中有著廣泛的用途。

微波控制電路的各種控制功能是通過控制元件來實現(xiàn)的，目前采用的控制元件主要是半導(dǎo)體器件及鐵氧體器件，由于半導(dǎo)體器件具有控制功率小、速度快及體積小、重量輕等優(yōu)點，因此他的應(yīng)用比鐵氧體器件廣范得多。微波半導(dǎo)體控制器件主要有PIN管、變?nèi)莨芎托ぬ鼗埽捎赑IN管具有可控功率大、損耗小及正反偏下能得到近似短路和開路特性，所以在微波應(yīng)用系統(tǒng)中絕大多數(shù)的控制電路中都采用PIN管。

2 PIN管

PIN二極管是一種PIN結(jié)器件，在P型和N型兩個重摻雜接觸區(qū)之間有一極小的輕摻雜或非摻雜I區(qū)，就得到了對某些器件應(yīng)用來說十分需要的特性，在反偏時I區(qū)將導(dǎo)致極高的二極管擊穿電壓，而器件電容是通過增大P區(qū)和N區(qū)的距離來減小的，此時PIN管對微波信號有極高的阻抗。在正向偏置時，I區(qū)的電導(dǎo)率由末端區(qū)注入電荷來控制的，在PIN管通以適當(dāng)?shù)恼螂娏鲿r，顯示很低的阻抗。PIN管是一種低失真的偏流控制電阻器，且具有良好的線性性能，在微波電路中有著廣泛的應(yīng)用，用他可以完成調(diào)幅、衰減、校準電平等功能，可制成極好的開關(guān)、衰減器。

3 PIN開關(guān)電路設(shè)計

3.1 應(yīng)用PIN管設(shè)計開關(guān)電路應(yīng)考慮的因素

PIN正反偏下不同的阻抗特性，可用來控制電路的通斷，組成開關(guān)電路。根據(jù)PIN管與傳輸線的不同鏈接方式，開關(guān)可分為并聯(lián)型和串連型兩種，對于并聯(lián)型開關(guān)，管子呈高阻時對傳輸功率影響甚微，插入衰減很小，相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，管子呈低阻抗時，傳輸功率大部分被反射回去，插入衰減很大，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)；對于串連型開關(guān)，情況恰好相反。

在實際設(shè)計微波PIN開關(guān)電路時，應(yīng)考慮如下幾個因素：

(1) 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，就需采用多管級聯(lián)，組成陣列式開關(guān)；

(2) 由于并聯(lián)型開關(guān)有散熱條件好等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中又多采用并聯(lián)型開關(guān)；

(3) PIN開關(guān)與終端負載的連接可分為兩種形式，即并聯(lián)終端形式和串連終端形式。前者的偏置電路部分比后者復(fù)雜，實現(xiàn)更為困難，所以一般多選串聯(lián)終端形式。

綜合上述3種因素，我們設(shè)計的單刀五擲PIN開關(guān)采用多管并聯(lián)級聯(lián)，而終端為串聯(lián)終端電路，電路如圖1所示。

圖1 單刀五擲匹配開關(guān)電路原理圖

3.2 并聯(lián)級聯(lián)陣列式開關(guān)衰減性能分析

在忽略PIN管串聯(lián)電阻的影響下，設(shè)PIN管的歸一化電納為JB~;兩管之間的距離為L，電長度=βL，則三個PIN管并聯(lián)開關(guān)的衰減為：



L[WB]=10lgcos 2θ-3B~2sin 2θ+Bsin2θ~2+[JB)]

[DW] [JB(](1-B2~)sin 2θ+3B~2cos 2θ+B~32sin2θ2



若已知PIN管正反偏下的歸一化電納及電長度，就可以從上式求出開關(guān)的插損和隔離度。為使開關(guān)有良好的性能，θ不能隨意取，在實際中一般是以最小插損和最大隔離度條件下綜合考慮確定θ值。

開關(guān)通斷時的衰減由兩部分組成，反射衰減和管子損耗，因管子損耗很小可忽略，故損耗全部為反射損耗，要使插損最小，須使開關(guān)反射系數(shù)為零，故最小插損條件為：



θ=tg-1(2/B~-)



因反射波互相抵消，衰減為零。若令:



θ/=π2+tg-1(2/B~-)



則兩PIN管反射波相位差和輸入波相位相差180°，兩管反射波由相互抵消變?yōu)橄嗷サ樱瑥亩玫阶畲蟾綦x。

所以插損最小時應(yīng)取間距為：



L=λg2πtg-1(2/B~-)



為獲得最大隔度，應(yīng)取間距為：



L/=λg4+λg4πtg-1(2/B~+)



其中B~+，B~-分別是PIN管正、反偏下的歸一化電納。一般情況下，L≠L/，最小插損和最大隔離條件不能同時滿足，在設(shè)計時必須兼顧選擇。

3.3 微波PIN開關(guān)電路工作狀態(tài)分析

由于開關(guān)具有兩種工作狀態(tài)，即傳輸狀態(tài)和隔離狀態(tài)，對于匹配開關(guān)，在這兩種工作狀態(tài)下都應(yīng)該具有良好的駐波特性，下面我們對這兩種狀態(tài)分別進行分析。

(1) 傳輸狀態(tài)

在圖1電路中，當(dāng)B1加反偏，其余偏置端加正偏時，端口J1為傳輸狀態(tài)，其余端口均為隔離狀態(tài)。若并聯(lián)PIN管的反向結(jié)電容為CJ，正向等效電阻為RS。引線電感為LS，串聯(lián)PIN管的反向結(jié)電容為CJ0，正向等效電阻為RS0，則此時開關(guān)電路的等效電路為圖2所示。

圖2 B1加反偏其他加正偏等效電路圖

由于四個隔離支路中串聯(lián)PIN管反偏結(jié)電容全部被并入了傳輸支路的輸出端(即公共端口)，從而引起公共端口嚴重的不連續(xù)性。為了補償這種不連續(xù)性，以獲得良好的匹配，應(yīng)在公共端口引入一個采用高低阻抗傳輸線構(gòu)成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，通過優(yōu)化設(shè)計就可獲得較好的傳輸匹配性能。再采用TOUCHSTN軟件對PIN匹配開關(guān)電路進行優(yōu)化設(shè)計，即可得到電路各元件值。

圖3 傳輸狀態(tài)支路阻抗匹配等效電路

(2) 隔離狀態(tài)

一旦設(shè)計完傳輸狀態(tài)下的電路參數(shù)，也就確定了隔離狀態(tài)支路的性能。圖4為隔離狀態(tài)支路的等效微波電路。要想使隔離端口獲得高的隔離度，同樣可以設(shè)計一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接入隔離端口，使隔離端口近似端接一個匹配負載即可。

圖4 隔離狀態(tài)支路阻抗匹配等效電路

4 結(jié) 語

根據(jù)以上分析研究，采用0.01英寸厚的RT/Duroid5880介質(zhì)材料的微帶電路結(jié)構(gòu)，并用導(dǎo)電膠將微帶電路板和腔體粘接在一起，制作成性能良好的超寬帶微波單圖2 單刀五擲開關(guān)駐波測試曲線

圖6 單刀五擲開關(guān)插損測試曲線

刀五擲PIN開關(guān)，該開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、小巧，經(jīng)測試在其工作頻率1~18 GHz范圍內(nèi)，插損小于3.4 dB，隔離度大于60 dB，駐波系數(shù)(通、斷)小于2.3 dB，開關(guān)時間小于30 ns。

參 考 文 獻

［1］顧墨琳.微波固體電路設(shè)計\\[M\\]. 南京:機械電子工業(yè)部第十四研究所，1991.

［2］[美] Mike Golio.射頻與微波手冊\\[M\\].孫龍祥，趙玉潔，張堅，等譯.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。