(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

在毫米波電路與系統(tǒng)中，開關(guān)起著非常重要的作用[1-2]，前端各通道間的快速切換需要一系列的開關(guān)電路來控制完成。在毫米波頻段，常見的單刀單擲(SPST)、單刀雙擲(SPDT)及單刀四擲(SPQT)等開關(guān)通常是采用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)的MMIC商用芯片。除此之外，在毫米波高頻段，由于鰭線傳輸電路低損耗、弱色散的特點(diǎn)，采用混合集成電路工藝實(shí)現(xiàn)的鰭線開關(guān)也較常見。在文獻(xiàn)中，多為8 mm和3 mm頻段單刀單擲及單刀雙擲開關(guān)的報(bào)道[3-4]，并就降低插損、提高隔離度的措施進(jìn)行了研究與討論[5]。目前文獻(xiàn)中報(bào)道的8 mm及3 mm頻段鰭線單刀雙擲開關(guān)，最好的隔離度能達(dá)到35 dB左右。

本文設(shè)計(jì)的5 mm頻段鰭線單刀雙擲開關(guān)，基于成熟的鰭線混合集成工藝，采用并聯(lián)梁式引線PIN二極管形式，并通過鰭線夾縫中一種新穎的電路結(jié)構(gòu)，有效抑制了夾縫能量的泄露。經(jīng)加工測(cè)試，在50～56 GHz頻帶內(nèi)，獲得了優(yōu)良的低插損、高隔離特性。該開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，易于實(shí)現(xiàn)，滿足了工程應(yīng)用需求。

2 鰭線開關(guān)的設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)原理

對(duì)于反射式PIN二極管開關(guān)，PIN管布局通常采用并聯(lián)或串聯(lián)形式[6-7]?？紤]到鰭線電路結(jié)構(gòu)，該模塊中二極管采用并聯(lián)形式，對(duì)稱分布在鰭線T形節(jié)的兩支臂上，通過控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)二極管的正偏和反偏，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)低阻抗(近似短路)和并聯(lián)高阻抗(近似開路)。根據(jù)鰭線電路特性，并聯(lián)低阻端信號(hào)將被反射，實(shí)現(xiàn)隔離；而并聯(lián)高阻端信號(hào)將呈現(xiàn)低損耗傳輸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。開關(guān)原理如圖1所示。

圖1 并聯(lián)型鰭線開關(guān)原理圖

插入損耗定義為理想開關(guān)在“通”狀態(tài)傳遞給負(fù)載的功率與實(shí)際開關(guān)(“通”態(tài))真正傳遞負(fù)載功率之比值，常以分貝數(shù)表示。如果用VL表示在理想開關(guān)負(fù)載兩端的電壓，插入損耗(IL)可寫為

(1)

式中，VLD為實(shí)際開關(guān)負(fù)載兩端電壓。

考慮到鰭線電路特性，實(shí)際兩分支臂阻抗為串聯(lián)而非并聯(lián)關(guān)系，因此圖1中的原理圖可以簡(jiǎn)化為源阻抗、導(dǎo)通端口阻抗、隔離端口阻抗三者級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)化電路圖，如圖2所示。導(dǎo)通端(即并聯(lián)PIN管反向偏置)插入損耗可以表示為

(2)

隔離端(即并聯(lián)PIN管正向偏置)隔離度可以表示為

(3)

式中，ZR和ZF分別為PIN二極管反偏和正偏阻抗，Z0為標(biāo)準(zhǔn)源和負(fù)載阻抗。

圖2 并聯(lián)型鰭線開關(guān)簡(jiǎn)化電路圖

2.2 二極管模型建立與選取

對(duì)于混合集成鰭線開關(guān)，PIN二極管是其核心器件，設(shè)計(jì)中所建模型是二極管在低頻控制電壓作用下的正、反偏兩種穩(wěn)態(tài)線性模型。文中選用的梁式引線封裝PIN二極管，模型中不僅包含P-I-N結(jié)參數(shù)，還需引入封裝寄生參數(shù)的影響。圖3是考慮封裝寄生參數(shù)的梁式引線二極管的等效電路。

圖3 PIN二極管等效電路圖

圖3中，Rs是PIN結(jié)中歐姆接觸電阻，Rj和Cj分別是結(jié)參數(shù)中的可變結(jié)電阻和結(jié)電容，Cp和Ls分別為封裝引入的封裝電容和引線電感。

從2.1節(jié)分析可知，要使開關(guān)獲得低插損、高隔離特性，就要求PIN二極管具有更低的正向?qū)ㄗ杩购透叩姆聪蚋綦x阻抗，因此管子的選取通常是多個(gè)性能折衷考慮后的結(jié)果。本文中選用M-pulse公司的MP-5220梁式引線封裝PIN二極管。

2.3 夾縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要在5 mm頻段獲得40 dB以上的高隔離特性(相當(dāng)于從隔離端泄露的能量小于饋入能量的萬分之一)，一方面需要在鰭線主傳輸路徑上并聯(lián)足夠的PIN二極管，在正偏狀態(tài)下獲得盡可能小的并聯(lián)阻抗，以逼近對(duì)傳輸能量的理想反射；另一方面，由于鰭線安裝而不可避免的夾縫結(jié)構(gòu)，可等效為介質(zhì)填充波導(dǎo)，在毫米波高頻段很容易構(gòu)成能量傳輸通道或諧振結(jié)構(gòu)，因此也必須采取措施對(duì)夾縫中泄露的能量進(jìn)行抑制和干擾。

通過對(duì)無安裝夾縫的理想開關(guān)模型的仿真發(fā)現(xiàn)，一側(cè)并聯(lián)4個(gè)PIN開關(guān)可以獲得50 dB以上的隔離度。因此，夾縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為獲得高隔離度的關(guān)鍵。文獻(xiàn)中提到的提高隔離度措施比較復(fù)雜，且在毫米波頻段高端效果也不太理想。本文在此提出了一種新穎的夾縫結(jié)構(gòu)，如圖4所示，根據(jù)實(shí)際電路布局，在接地鰭線夾縫結(jié)構(gòu)上采用孔壁金屬化接地孔陣列，孔心距小于四分之一波導(dǎo)波長，而在絕緣鰭夾縫結(jié)構(gòu)中采用離散接地孔與梳狀絕緣帶線的交錯(cuò)排列形式。兩種結(jié)構(gòu)可在不影響直流控制信號(hào)饋入的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)能量泄露的抑制和對(duì)諧振結(jié)構(gòu)的有效干擾，并且在基片加工時(shí)一次成型，無需后續(xù)的安裝與調(diào)試，簡(jiǎn)單實(shí)用。

2.4 開關(guān)設(shè)計(jì)與仿真

鰭線槽寬和二極管間距的選擇是鰭線開關(guān)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。鰭線槽寬與鰭線傳輸線阻抗密切相關(guān)，從式(2)和式(3)的推導(dǎo)結(jié)果可以看到，導(dǎo)通時(shí)希望鰭線阻抗遠(yuǎn)小于二極管反偏阻抗(Z0<>ZF)，因此鰭線槽寬的選擇無法同時(shí)滿足上述要求。同時(shí)鰭線槽寬還要考慮梁式引線封裝二極管的安裝需要。綜合上述因素，設(shè)計(jì)中鰭線槽寬設(shè)為0.15 mm，而二極管間距取決于工作頻段及帶寬要求。由于PIN二極管寄生參量的影響，4個(gè)管子兩兩間距并不是標(biāo)準(zhǔn)1/4鰭線傳輸導(dǎo)波波長，實(shí)際尺寸需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在三維場(chǎng)仿真軟件HFSS中建立單刀雙擲鰭線開關(guān)的三維仿真模型(根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，輸入輸出均加入鰭線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換)，如圖5所示。

圖5 SPDT鰭線開關(guān)三維仿真模型

3 鰭線開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

鰭線開關(guān)采用0.127 mm厚的RT/Duroid 5880軟基片，梁式引線二極管采用導(dǎo)電膠粘接，絕緣鰭部分采用絕緣膜與波導(dǎo)腔體絕緣。開關(guān)模塊實(shí)物如圖6所示。

圖6 SPDT鰭線開關(guān)實(shí)物

實(shí)測(cè)中采用高頻替代法進(jìn)行開關(guān)模塊插損和隔離度的測(cè)試。圖7是該開關(guān)模塊插損和隔離度仿真與實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果?？梢钥吹剑?0～56 GHz頻帶內(nèi)，開關(guān)的寬帶導(dǎo)通特性實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果吻合得很好，實(shí)測(cè)導(dǎo)通端插損帶內(nèi)小于2.3 dB。隔離度實(shí)測(cè)和仿真有一定差異，但實(shí)測(cè)結(jié)果帶內(nèi)隔離仍大于50 dB,滿足了應(yīng)用要求。分析隔離度變化的原因，一方面在5 mm頻段由于趨膚效應(yīng)作用二極管實(shí)際正偏電阻比所建仿真模型大，另一方面腔體安裝槽的加工誤差，導(dǎo)致介質(zhì)基片不能緊密貼合外腔壁，也會(huì)造成一定的能量泄漏。

圖7 SPDT鰭線開關(guān)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

本文主要講述5 mm(U頻段)單刀雙擲開關(guān)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該開關(guān)模塊基于鰭線電路結(jié)構(gòu)，采用并聯(lián)梁式引線PIN二極管形式設(shè)計(jì)。通過采用一種新穎的鰭線夾縫結(jié)構(gòu)，有效抑制了夾縫能量泄露。經(jīng)加工測(cè)試，在50～56 GHz頻帶內(nèi)插損小于2.3 dB，隔離度大于50 dB，驗(yàn)證了上述措施的有效性。該開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隔離度高，易于加工，并可根據(jù)工作頻帶、開關(guān)性能等實(shí)際要求進(jìn)行快速靈活的設(shè)計(jì)。目前，該模塊已應(yīng)用于5 mm射頻組件中。

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