王　晴，劉忠健，孟　亮，王彤威

（1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京　100041；2.解放軍駐航天二院中心軍事代表室，北京　100854）

基于HMC435MS8GE的單刀雙擲微波開關(guān)設(shè)計(jì)

王晴1，劉忠健2，孟亮1，王彤威1

（1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京100041；2.解放軍駐航天二院中心軍事代表室，北京100854）

針對(duì)傳統(tǒng)微波開關(guān)設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)щy，且工作頻帶極窄不可調(diào)，應(yīng)用范圍極其受限，提出了一種基于HMC435MS8GE芯片的單刀雙擲微波開關(guān)設(shè)計(jì)方法，該方法采用H MC435MS8GE開關(guān)芯片作為信號(hào)通道控制核心，并配置腔體濾波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)在一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，確保了信號(hào)的傳輸完好性，該設(shè)計(jì)在降低設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，提高了頻率的使用范圍，極大地降低了調(diào)試成本，試驗(yàn)表明該新型微波開關(guān)設(shè)計(jì)簡單、使用方便且導(dǎo)通損耗小，關(guān)斷隔離度好，克服了傳統(tǒng)開關(guān)的缺點(diǎn)，滿足實(shí)際工程應(yīng)用，并具有很好的推廣價(jià)值。

腔體；濾波器；單刀雙擲；微波；開關(guān)

0　引言

近幾年來，隨著相控陣?yán)走_(dá)、微波數(shù)字通信、衛(wèi)星通信以及微波測量等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的微波控制電路，例如微波開關(guān)，微波開關(guān)在微波系統(tǒng)中有著廣泛的用途，如時(shí)分多工器、時(shí)分通道選擇、脈沖調(diào)制、收發(fā)開關(guān)、波束調(diào)整等。微波開關(guān)常用的指標(biāo)是接通損耗，關(guān)斷損耗，頻帶和功率［1］。

傳統(tǒng)的單刀雙擲（SPDT）微波開關(guān)設(shè)計(jì)方法是利用微波開關(guān)器件如鐵氧體、PIN管、FET或BJT進(jìn)行微波開關(guān)電路設(shè)計(jì)［2］，采用此方法進(jìn)行微波開關(guān)電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，設(shè)計(jì)難度大、調(diào)試難度大且對(duì)工藝要求較高，同時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與波長有關(guān)，對(duì)頻率有較強(qiáng)的選擇性，工作頻帶很窄，若需擴(kuò)展工作頻帶，則傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法勝任。因此在實(shí)際應(yīng)用中，研制一種設(shè)計(jì)方法簡單、調(diào)試容易且頻帶可調(diào)的微波開關(guān)則顯得尤為重要。

針對(duì)微波開關(guān)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法天生的缺陷，本文提出了一種基于HMC435 MS8GE的SPDT微波開關(guān)設(shè)計(jì)方法，該方法將微波開關(guān)的設(shè)計(jì)劃分為兩部分，開關(guān)電路和濾波器部分，開關(guān)部分本身沒有帶寬限制，只負(fù)責(zé)信號(hào)通斷控制，濾波器負(fù)責(zé)對(duì)輸出的微波信號(hào)進(jìn)行濾波，由于涉及兩路信號(hào)，因此設(shè)計(jì)兩個(gè)濾波器完成濾波，同時(shí)為了獲得較低的接通損耗，濾波器采用腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1　設(shè)計(jì)框架

微波開關(guān)由開關(guān)電路和濾波器兩部分組成，如圖1所示。

圖1　微波開關(guān)電路設(shè)計(jì)框架

開關(guān)電路在控制信號(hào)A和控制信號(hào)B的作用下對(duì)輸入的微波信號(hào)進(jìn)行路徑選擇，使其從開關(guān)電路的其中一個(gè)通道輸出，另一個(gè)通道沒有信號(hào)輸出。開關(guān)電路輸出的微波信號(hào)進(jìn)入到濾波器1或2，經(jīng)相應(yīng)濾波后，從輸出端口輸出。

微波開關(guān)外形圖如圖2所示。

1.1開關(guān)電路的設(shè)計(jì)

開關(guān)電路的主要作用是根據(jù)輸入的直流控制信號(hào)，對(duì)輸入的微波信號(hào)進(jìn)行路徑選擇，為了簡化設(shè)計(jì)難度和調(diào)試難度，開關(guān)電路選用HITTITE公司生產(chǎn)的H MC435 MS8GE開關(guān)芯片作為主芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片工作帶寬為DC～4GHz，且無需電源供電，屬于無源芯片，控制端的電壓為0+5 V，兩個(gè)控制端A、B根據(jù)不同的電壓組合來選擇不同的路徑。開關(guān)電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2　微波開關(guān)外形圖

圖3　開關(guān)電路設(shè)計(jì)圖

圖中為輸入信號(hào)，RF1和RF2為輸出信號(hào)，A、B為控制輸入端，C1、C2、C3分別為端口隔直電容，R1、R2為保護(hù)電阻，D1、D2為端口保護(hù)二極管，目的是防止控制信號(hào)出現(xiàn)負(fù)電壓對(duì)芯片造成毀壞。

開關(guān)芯片HMC435 MS8GE的信號(hào)通斷真值表1。

表1　HMC435MS8GE信號(hào)通斷真值表

當(dāng)控制端A輸入0 V，控制端B輸入5 V時(shí)，開關(guān)通路為RFC到RF1；當(dāng)控制端輸入5 V，控制端B輸入0 V時(shí)，開關(guān)通路為RFC到RF2；其余控制狀態(tài)為無效狀態(tài)。

1.2濾波器的設(shè)計(jì)

濾波器設(shè)計(jì)為帶通濾波器［3］，作用是對(duì)開關(guān)電路輸出的信號(hào)進(jìn)行頻率選擇。為節(jié)省空間并便于工程實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)濾波器均采用梳狀線結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)窄帶帶通濾波器的功能。每個(gè)濾波器由3個(gè)TEM模諧振桿構(gòu)成［4］。各相鄰諧振桿的同一端均被短路，而另一端經(jīng)過一集總電容接地，該集總電容容值大小可通過調(diào)諧螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4為濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4　濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)時(shí)通過梳狀線濾波器結(jié)構(gòu)計(jì)算耦合系數(shù)，確定諧振桿導(dǎo)體間距和腔體尺寸。為減小體積，在梳狀線濾波器各諧振器頂端設(shè)置調(diào)諧螺釘，調(diào)試時(shí)通過調(diào)諧螺釘深度來調(diào)節(jié)電容值大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧通帶中心頻率f0。

2　微波開關(guān)仿真驗(yàn)證

通過仿真，得到微波開關(guān)兩個(gè)通路的S參數(shù)及曲線，其中f0為濾波器中心頻率，S21為1通路曲線，S31為2通路曲線，通過對(duì)1通路導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行仿真的曲線如圖5所示。

圖5　開關(guān)電路仿真曲線

圖5是對(duì)1通路接通狀態(tài)進(jìn)行仿真的曲線，此時(shí)2通路對(duì)應(yīng)為關(guān)斷狀態(tài)，通過曲線可以看出，1通路中心頻點(diǎn)f0處接通損耗S21為-1.5 dB，此時(shí)2通路中心頻點(diǎn)f0關(guān)斷隔離度S31為-72 dB，功能指標(biāo)和性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證微波開關(guān)的性能，選用S波段信號(hào)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。由于SPDT微波開關(guān)的兩個(gè)通路總是處在一路導(dǎo)通，另一路關(guān)斷的狀態(tài)。因此對(duì)于特定頻點(diǎn)，微波開關(guān)的主要指標(biāo)即為導(dǎo)通損耗和關(guān)斷隔離度。為方便測試，對(duì)微波開關(guān)的兩個(gè)濾波器均設(shè)定了固定頻率特性。表2和表3分別列出了在S波段不同頻點(diǎn)下微波開關(guān)不同導(dǎo)通狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2為RF1導(dǎo)通時(shí)的相關(guān)指標(biāo)，即微波開關(guān)控制端A加0 V，控制端B加5 V時(shí)的測試指標(biāo)，此時(shí)對(duì)應(yīng)RFC到RF1為導(dǎo)通，RFC到RF2為關(guān)斷，因此測試的是RFC到RF1的導(dǎo)通損耗，RFC到RF2的關(guān)斷隔離度。

表2　微波開關(guān)在RF1導(dǎo)通時(shí)的相關(guān)指標(biāo)

表3　微波開關(guān)在RF2導(dǎo)通時(shí)的相關(guān)指標(biāo)

表3為RF2導(dǎo)通時(shí)的相關(guān)指標(biāo)，即微波開關(guān)控制端A加5 V，控制端B加0 V時(shí)的測試指標(biāo)，此時(shí)對(duì)應(yīng)RFC到RF2為導(dǎo)通，RFC到RF1為關(guān)斷，因此測試的是RFC到RF2的導(dǎo)通損耗，RFC到RF1的關(guān)斷隔離度。

在測試的4個(gè)頻點(diǎn)中，其中F1、F2、F3均在濾波器帶寬內(nèi)，F(xiàn)4則在濾波器帶外，因此會(huì)出現(xiàn)頻點(diǎn)F4的導(dǎo)通損耗大于其余3個(gè)頻點(diǎn)的現(xiàn)象。對(duì)于微波開關(guān)中的濾波器，則可以通過調(diào)節(jié)螺釘，對(duì)其中心頻率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行平移，以滿足不同場合的需求。

4　結(jié)束語

文中對(duì)基于H MC435MS8GE的SPDT微波開關(guān)的基本原理、設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，并通過仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微波開關(guān)導(dǎo)通損耗和關(guān)斷隔離度均滿足實(shí)際要求，且相應(yīng)通道的濾波器，其帶寬、插損和帶外抑制等指標(biāo)均達(dá)到要求。目前該SPDT微波開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于某型雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中。

［1］雷振亞，等.微波工程導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］劉斐珂，文光俊，龐宏，等.單片微波開關(guān)技術(shù)及研究進(jìn)展［A］.中國通信學(xué)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2008.591 600.

［3］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］劉健.腔體式帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011.

Design of SPDT Microwave Switch Based on HMC435MS8GE

Wang Qing1，Liu Zhongjian2，Meng Liang1，Wang Tongwei1
（1.Beijing Aerospace Measurement&Control Technology Co.，LTD.，Beijing100041，China；2.Liberation Army Military Representative Office in Second Aerospace Academy Center，Beijing100854，China）

According to the design and debugging of the traditional microwave switch is difficult，and very narrow frequency band is not adjustable，the scope of application is extremely limited，proposes a design method of SPDT microwave switch based on H MC435MS8GE chip，the method adopts HMC435MS8GE chip as the core control switch signal channel，and configure the cavity filter to filter the output signal，the entire product design in a a closed structure，to ensure the integrity of the signal transmission，the design reduces the design difficulty and improve the using range of frequency，greatly reduces the cost of debugging，experiments show that the new microwave switch has the advantages of simple design，convenient use and low conduction loss，turn off good isolation，to overcome the traditional switch shortcomings，meet the actual engineering application，and has good popularization value.

cavity；filter；SPDT；microwave；switch

1671-4598（2016）05-0267-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.074

TP3

A

2015-10-07；

2016-03-22。

王晴（1984-），女，北京人，碩士，工程師，主要從事自動(dòng)控制方向的研究。