劉博源 ，黃昭宇 ，江 云 ，季鵬飛 ，許慶華 ，張曉發(fā) ，袁乃昌

（1.國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院CEMEE 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410003；2.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432000）

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)通信系統(tǒng)對微波有源器件日益增長的需求，經(jīng)過從21 世紀(jì)五六十年代以來的發(fā)展，已經(jīng)逐漸從功耗高、重量大轉(zhuǎn)向小型化、高集成、高性能、多功能新型化器件[1]。同時(shí)，工藝水平的提升，也使得器件的加工精度和批量化產(chǎn)品一致性以及高可靠性得到極大程度的保障。這其中，由于對電路不同路徑的選通作用，微波開關(guān)被廣泛應(yīng)用在收發(fā)組件中[2]。

性能優(yōu)良的微波開關(guān)對于提升射頻前端集成度的作用是顯著的，這是因?yàn)殚_關(guān)與接收或發(fā)射天線直接關(guān)聯(lián)，其結(jié)構(gòu)直接影響到了天線尺寸以及在相同體積內(nèi)路徑的數(shù)量[3]。對于本文中所涉及的多路開關(guān)，為使每一路開關(guān)和與之相鄰的其他路的開關(guān)能夠避免信號大規(guī)模串?dāng)_，就需要對模塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體而言，在平行路徑之間分腔，對于提升電路電磁兼容性是至關(guān)重要的[4]。除此之外，在電路層面上，利用高介電常數(shù)的新型多層板和微組裝設(shè)計(jì)，可以在每一路的垂直方向上將控制電路和射頻電路分離開，這樣就可以防止直流信號與射頻信號之間的混疊，路徑切換受阻，信噪比下降，嚴(yán)重限制微波開關(guān)正常工作。

考慮到上述情況，本文設(shè)計(jì)的開關(guān)通道電路需要大體上從電性能和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在各自發(fā)揮最佳性能優(yōu)勢時(shí)優(yōu)化整合，找到可以最大限度滿足性能指標(biāo)的模塊設(shè)計(jì)思路[5]。由于所設(shè)計(jì)的模塊需要進(jìn)行加工，因而還需要把所使用復(fù)合材料的穩(wěn)定性和工藝設(shè)備的加工誤差等可實(shí)現(xiàn)性方面問題考慮在內(nèi)[6]。最后，本文設(shè)計(jì)并制作了X 波段高隔離度射頻開關(guān)組件，實(shí)現(xiàn)了四通道開關(guān)組件同時(shí)工作的模塊化、集成化的全流程設(shè)計(jì)，有利于提升系統(tǒng)組件的功能化和靈活度。

1 開關(guān)通道電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的組件由4 個(gè)相同且獨(dú)立的開關(guān)電路組合而成。電路設(shè)計(jì)為兩部分，一部分為P 型半導(dǎo)體-本征半導(dǎo)體-N 型半導(dǎo)體（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）二極管[7]并聯(lián)組成開關(guān)電路，達(dá)到低插損、高隔離、大功率要求；另一部分是開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的控制部分，含驅(qū)動(dòng)器和晶體管到晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）、電源等。驅(qū)動(dòng)器的電源為+5 V、-28 V。TTL 電平輸入，驅(qū)動(dòng)器[8]輸出高低電平來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電路開關(guān)性能。

1.1 開關(guān)通道的微波特性

開關(guān)是一種插入損耗（插損）受PIN 管導(dǎo)通或截止情況影響的器件[9]，插損（Insertion Loss，IL）的定義為輸入功率Pin和導(dǎo)通狀態(tài)輸出功率Pout，on的比值再取對數(shù)，即：

通常來講，導(dǎo)通態(tài)插損要小，截止態(tài)插損要大。

開關(guān)的回波損耗是關(guān)于功率沿輸入路徑返回的量度?；夭〒p耗（Return Loss，RL）定義為輸入功率Pin與反射功率Pr的比值再取對數(shù)，即：

開關(guān)的隔離度（Isolation，ISO）可以認(rèn)為是在斷開條件下的插入損耗[10]，對數(shù)值為負(fù)，即：

1.2 開關(guān)通道電性能參數(shù)指標(biāo)

分析4 路開關(guān)組件在實(shí)際應(yīng)用中的性能，對其中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了指標(biāo)設(shè)定：頻率范圍為8～12 GHz；插入損耗≤1.5 dB；幅度不平衡≤±0.8 dB；相位不平衡≤±5°（溫度25 ℃）；關(guān)斷隔離度≥50 dB（溫度25 ℃）；切換速度≤500 ns（溫度25 ℃）；駐波比≤1.8；功率容量≥20 W（連續(xù)波，溫度25 ℃）；電源電壓Vcc 為6 V，Vee 為-30 V；控制電壓Vc 為6 V；最大輸入信號功率（Pinmax）為43 dBm；封腔后尺寸為長（L）≤125 mm，寬（W）≤25 mm；控制信號為TTL（Transistor-Transistor Logic）電平：-0.3～-0.8 V/+5 V。

1.3 開關(guān)通道尺寸指標(biāo)

考慮到開關(guān)通道組件尺寸設(shè)計(jì)以達(dá)到多方面應(yīng)用上的使用需求，經(jīng)過對電磁兼容的定性分析后，對其進(jìn)行緊湊型設(shè)計(jì)，采用微組裝技術(shù)對其進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。外形和引出端排列圖以及對應(yīng)尺寸符號長度大小分別如圖1 和表1 所示。

圖1 開關(guān)組件外形和引出端排列圖

表1 尺寸符號長度大小

根據(jù)四通道開關(guān)組件的尺寸，對盒體也做了上述小型化設(shè)計(jì)，以滿足在更為復(fù)雜電磁系統(tǒng)中輕量化和緊湊型布局[11]。

1.4 開關(guān)通道架構(gòu)設(shè)計(jì)

重構(gòu)開關(guān)組件含4 組獨(dú)立的二選一開關(guān)，分別為K1、K2、K3、K44個(gè)大功率二選一開關(guān)。4個(gè)二選一開關(guān)受同一個(gè)TTL 電平控制聯(lián)動(dòng)工作。發(fā)射時(shí)，均為XS2到XS1 導(dǎo)通，XS3 端指向吸收態(tài)并與XS2 為隔離狀態(tài)；接收時(shí)均為XS1 到XS3 導(dǎo)通，XS2 端指向吸收態(tài)并與XS3為隔離狀態(tài)。開關(guān)組件電性能工作原理圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)組件電性能工作原理圖

將驅(qū)動(dòng)電路添加入控制模塊中，通過高低電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號從主路到任一旁路的切換導(dǎo)通。該開關(guān)通道架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 開關(guān)通道電路原理圖

將上述通道進(jìn)行器件化，首先通過對其中任一通道的主路和支路端加入隔直電容，防止電源中的直流分量流入開關(guān)造成功率過大而燒壞器件[12-13]。其次，添加二極管來對電路起到穩(wěn)壓和保護(hù)的作用，避免感性負(fù)載在通斷電過程產(chǎn)生高反壓對電路造成傷害。在支路輸出端口加入扼流線圈，防止電源的雜波隨著有用信號流出[14]。驅(qū)動(dòng)器控制端放置接地電容是為了防止射頻信號回流入電源造成損傷。

加電使用前，要使控制輸入端為低電平。同時(shí)，為保證速度，要求輸入TTL 信號：上升沿時(shí)間（tr）≤20 ns，下降沿時(shí)間（tf）≤20 ns，高電平（Vtop）≥4.0 V。

控制信號的工作頻率≤30 MHz，典型工作頻率10 MHz。另外，內(nèi)部所有射頻端口均有隔直電容，無需外加。-5 V電源管腳就近外加1 μF 濾波電容。

2 開關(guān)通道電路建模與仿真

該組件的關(guān)鍵技術(shù)為高頻開關(guān)電路損耗、低反射和散熱。由于功率高，因此要求電路損耗小，端口反射小。電路采用三級PIN 二極管級聯(lián)的方式[15]，最后一級為吸收式設(shè)計(jì)，開關(guān)關(guān)斷隔離高。為滿足帶寬需要，對電路通過添加有源電感負(fù)載來拓展帶寬，以達(dá)到對全X 頻段的覆蓋。根據(jù)以上要求，在ADS 電路仿真軟件對圖3 所示的單通道開關(guān)電路進(jìn)行參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)定高頻板、頻率參數(shù)，根據(jù)以往優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整具體參數(shù)值，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到理想的仿真結(jié)果。導(dǎo)通損耗曲線如圖4 所示，駐波曲線如圖5 所示，關(guān)斷隔離曲線如圖6所示。

圖4 開關(guān)電路導(dǎo)通態(tài)插入損耗仿真曲線圖

圖5 開關(guān)電路駐波仿真曲線圖

圖6 開關(guān)電路關(guān)斷隔離仿真曲線圖

經(jīng)過仿真可以看出，對于導(dǎo)通損耗曲線，在整個(gè)X波段可以滿足不小于1.5 dB的指標(biāo)要求；在仿真設(shè)計(jì)中，輸入端口的駐波雖然在8 GHz 處未能滿足小于1.8的指標(biāo)要求，但根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在低頻端對其進(jìn)行了失配設(shè)計(jì)，是考慮到ADS 無法對電路寄生參量進(jìn)行仿真分析，由此可以在實(shí)際加工過程中實(shí)現(xiàn)駐波比下降到理想值；輸出駐波比在設(shè)計(jì)中各頻點(diǎn)也均不大于1.8；由仿真結(jié)果可知，關(guān)斷隔離度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求的35 dB，在新型微組裝實(shí)現(xiàn)技術(shù)下，此項(xiàng)指標(biāo)要求可以得到充分保證。

3 開關(guān)通道電路的加工與測試

3.1 電路版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)建模和仿真優(yōu)化后得到的尺寸，利用AutoCAD對每一路開關(guān)電路繪制，抽取其中一路作為繪制對象，得到如圖7 所示結(jié)構(gòu)圖形。

圖7 單路開關(guān)電路版圖

3.2 復(fù)合多層板的設(shè)計(jì)

利用Altium Designer 對內(nèi)部線路和分立器件排版和布局，為了減少開關(guān)通道組件射頻與控制端的高度集成和小型化，并極大程度提升電磁兼容性，因而引入了如圖8 所示的復(fù)合多層板的設(shè)計(jì)思路。

圖8 復(fù)合多層板層疊結(jié)構(gòu)

材料用了多層介質(zhì)材料，頂層銅箔在0.508 mm 厚FR4 芯板的頂面，另一面銅箔全部蝕刻掉；底層銅箔在0.508 mm 厚FR4 芯板的底面，另一面銅箔全部蝕刻掉；微帶金屬層在上下兩層厚FR4 芯板被蝕刻掉銅箔的中間。合板總厚度約1.5 mm。

3.3 開關(guān)通道組件的加工和實(shí)測

通過全流程的電路加工和盒體封裝，得到的開關(guān)組件實(shí)物外觀圖如圖9 所示。

圖9 開關(guān)組件實(shí)物外觀圖

組件盒體4 個(gè)開關(guān)獨(dú)立分為4 個(gè)腔體，每個(gè)開關(guān)的兩路也采用隔墻分別隔開輸出，每個(gè)單獨(dú)的開關(guān)內(nèi)部有內(nèi)蓋板固定熱電場，進(jìn)一步減少電磁干擾，提高隔離度，芯片燒結(jié)到鉬銅片上，然后再燒結(jié)到腔體底部，保證接地良好，散熱良好，降低熱阻，減少熱損。以上措施能很好地滿足設(shè)計(jì)需求，是解決該組件低插損、大動(dòng)態(tài)、高隔離的關(guān)鍵技術(shù)。

由于受到腔體、帶線布局的影響，其仿真結(jié)果和實(shí)際測試有些差別。切換控制位高低電平，對帶線的某部分寬度的進(jìn)行調(diào)試，得到比較滿意的指標(biāo)。實(shí)測開關(guān)的導(dǎo)通態(tài)插損和駐波曲線分別如圖10 和圖11 所示。

圖10 實(shí)測導(dǎo)通態(tài)插入損耗曲線圖

圖11 實(shí)測駐波曲線圖

當(dāng)通道關(guān)斷時(shí)測試輸入輸出端口的損耗，并與相鄰?fù)ǖ赖脑鲆嬷底霾?，得到該通道的關(guān)斷隔離度指標(biāo)。關(guān)斷隔離度曲線如圖12 所示。

圖12 實(shí)測關(guān)斷隔離度曲線圖

根據(jù)實(shí)測曲線可以看出，開關(guān)單路插損滿足≤1.5 dB的指標(biāo)要求，關(guān)斷隔離度在全頻段內(nèi)均大于50 dB。此外，駐波曲線顯示，輸入輸出端口駐波均小于1.8。以上指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

通過調(diào)整控制位的高低電平進(jìn)行通道切換，對四通道中XS1 進(jìn)行歸一化，測試另外三通道XS2、XS3 和XS4的相對歸一化通道幅度和相位的差值，得到每個(gè)通道的幅相平衡性指標(biāo)，得到如圖13 和圖14的測試結(jié)果。

圖13 實(shí)測路間相位一致性結(jié)果

圖14 實(shí)測路間幅度一致性結(jié)果

同樣地，切換控制位高低電平測試每個(gè)通道開關(guān)幅度相當(dāng)于歸一化通道值的帶內(nèi)平坦度。

由圖14 可知，8～12 GHz 范圍內(nèi)的通道路間相位一致性≤±5°，帶內(nèi)波動(dòng)≤±0.8 dB，均滿足使用要求。

最后，對開關(guān)的切換速度進(jìn)行了實(shí)測，如圖15 所示。結(jié)果顯示，在切換支路的瞬時(shí)時(shí)刻，切換時(shí)間被極大限制在200 ns，遠(yuǎn)達(dá)到了指標(biāo)中不大于500 ns的要求。

圖15 實(shí)測開關(guān)切換時(shí)間

3.4 組件與同類產(chǎn)品的性能比較

本文設(shè)計(jì)的組件是充分利用了微組裝工藝，減少了人為因素和精度誤差對主要電性能的影響，具有與仿真結(jié)果高度一致的優(yōu)越性。為了突出本文設(shè)計(jì)產(chǎn)品的優(yōu)越性，將其與其他X 波段同類產(chǎn)品進(jìn)行對比，如表2 所示。

表2 本文組件與同類產(chǎn)品性能比較

由表2 可知，本文組件除了可滿足四通道同時(shí)工作的需要外，在插損、駐波、隔離度、切換速度等指標(biāo)方面都具備明顯優(yōu)勢。在不過多犧牲插損和駐波的前提下，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品使高隔離度、高切換速度和大功率容量等性能特點(diǎn)得到了較好展現(xiàn)。

4 結(jié)論

針對組件的結(jié)構(gòu)、性能、精度的要求和現(xiàn)有工藝水平、設(shè)備儀器條件，該組件確定的微組裝工藝方案切實(shí)可行，該組件的設(shè)計(jì)中盡可能地采用標(biāo)準(zhǔn)工藝，既提高組件成熟度，提高可靠性、穩(wěn)定性，又達(dá)到工藝簡單易行、降低制造成本的目的。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)組件在極大限度滿足高隔離度性能前提下，大大縮減了組件尺寸，尺寸僅為123.70 mm×21.20 mm，可以滿足復(fù)雜多通道系統(tǒng)對邏輯切換控制的緊湊型需求。同時(shí)幅相一致性較好，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間控制在百納秒范圍內(nèi)，降低了組件多路傳輸?shù)难舆t時(shí)間，搭配驅(qū)動(dòng)器輸出邏輯信號進(jìn)行高低電平切換，提升了開關(guān)多種組合下同步工作的能力。

另外，盒體與高頻電路板采用導(dǎo)電膠貼裝，電路板帶線與接口采用包金帶工藝、芯片采用燒結(jié)工藝裝配，控制部分的元件采用回流焊工藝燒結(jié)到電路板上，組件內(nèi)部連接件采用絕緣子燒結(jié)方式，電路輸入輸出有隔直電容，上下外蓋板采用激光縫焊，有效地避免了電磁干擾，射頻泄漏，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性?？傮w來說，所設(shè)計(jì)的組件可以用于射頻前端信號路徑同時(shí)或分時(shí)切換，可廣泛適用于微波毫米波軍工及民品行業(yè)和市場。