超寬帶微波ＰＩＮ匹配開關電路設計
2008-04-12 00:00:00陳傳軍
現代電子技術 2008年9期
摘 要：高速、超寬帶微波PIN匹配多擲開關在通信、雷達及電子對抗系統中有著廣泛應用的重要器件之一。介紹PIN管的工作機理，分析了應用PIN管設計開關電路時應考慮的因素，進而設計出工作頻率為1~18 GHz的單刀5擲PIN匹配開關電路，經測試在頻率為1~18 GHz范圍內，插損小于3.5 dB，隔離度大于60 dB，開關時間小于30 ns。
關鍵詞：PIN開關;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，在微波技術的許多領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的，目前采用的控制元件主要是半導體器件及鐵氧體器件，由于半導體器件具有控制功率小、速度快及體積小、重量輕等優點，因此他的應用比鐵氧體器件廣范得多。微波半導體控制器件主要有PIN管、變容管和肖特基管，由于PIN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，所以在微波應用系統中絕大多數的控制電路中都采用PIN管。
2 PIN管
PIN二極管是一種PIN結器件，在P型和N型兩個重摻雜接觸區之間有一極小的輕摻雜或非摻雜I區，就得到了對某些器件應用來說十分需要的特性，在反偏時I區將導致極高的二極管擊穿電壓，而器件電容是通過增大P區和N區的距離來減小的，此時PIN管對微波信號有極高的阻抗。在正向偏置時，I區的電導率由末端區注入電荷來控制的，在PIN管通以適當的正向電流時，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用，用他可以完成調幅、衰減、校準電平等功能，可制成極好的開關、衰減器。
3 PIN開關電路設計
3.1 應用PIN管設計開關電路應考慮的因素
PIN正反偏下不同的阻抗特性，可用來控制電路的通斷，組成開關電路。根據PIN管與傳輸線的不同鏈接方式，開關可分為并聯型和串連型兩種，對于并聯型開關，管子呈高阻時對傳輸功率影響甚微，插入衰減很小，相當于開關的導通狀態，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，相當于開關的斷開狀態；對于串連型開關，情況恰好相反。
在實際設計微波PIN開關電路時，應考慮如下幾個因素：
(1) 由于單管開關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，組成陣列式開關；
(2) 由于并聯型開關有散熱條件好等優點，在實際應用中又多采用并聯型開關；
(3) PIN開關與終端負載的連接可分為兩種形式，即并聯終端形式和串連終端形式。前者的偏置電路部分比后者復雜，實現更為困難，所以一般多選串聯終端形式。
綜合上述3種因素，我們設計的單刀五擲PIN開關采用多管并聯級聯，而終端為串聯終端電路，電路如圖1所示。
圖1 單刀五擲匹配開關電路原理圖
3.2 并聯級聯陣列式開關衰減性能分析
在忽略PIN管串聯電阻的影響下，設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管并聯開關的衰減為：
L[WB]=10lgcos 2θ-3B~2sin 2θ+Bsin2θ~2+[JB)]
[DW] [JB(](1-B2~)sin 2θ+3B~2cos 2θ+B~32sin2θ2
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的插損和隔離度。為使開關有良好的性能，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，須使開關反射系數為零，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/=π2+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為相互迭加，從而得到最大隔離。
所以插損最小時應取間距為：
L=λg2πtg-1(2/B~-)
為獲得最大隔度，應取間距為：
L/=λg4+λg4πtg-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，在設計時必須兼顧選擇。
3.3 微波PIN開關電路工作狀態分析
由于開關具有兩種工作狀態，即傳輸狀態和隔離狀態，對于匹配開關，在這兩種工作狀態下都應該具有良好的駐波特性，下面我們對這兩種狀態分別進行分析。
(1) 傳輸狀態
在圖1電路中，當B1加反偏，其余偏置端加正偏時，端口J1為傳輸狀態，其余端口均為隔離狀態。若并聯PIN管的反向結電容為CJ，正向等效電阻為RS。引線電感為LS，串聯PIN管的反向結電容為CJ0，正向等效電阻為RS0，則此時開關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PIN管反偏結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性。為了補償這種不連續性，以獲得良好的匹配，應在公共端口引入一個采用高低阻抗傳輸線構成的阻抗匹配網絡，如圖3所示，通過優化設計就可獲得較好的傳輸匹配性能。再采用TOUCHSTN軟件對PIN匹配開關電路進行優化設計，即可得到電路各元件值。
圖3 傳輸狀態支路阻抗匹配等效電路
(2) 隔離狀態
一旦設計完傳輸狀態下的電路參數，也就確定了隔離狀態支路的性能。圖4為隔離狀態支路的等效微波電路。要想使隔離端口獲得高的隔離度，同樣可以設計一個阻抗匹配網絡接入隔離端口，使隔離端口近似端接一個匹配負載即可。
圖4 隔離狀態支路阻抗匹配等效電路
4 結 語
根據以上分析研究，采用0.01英寸厚的RT/Duroid5880介質材料的微帶電路結構，并用導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 單刀五擲開關駐波測試曲線
圖6 單刀五擲開關插損測試曲線
刀五擲PIN開關，該開關結構緊湊、小巧，經測試在其工作頻率1~18 GHz范圍內，插損小于3.4 dB，隔離度大于60 dB，駐波系數(通、斷)小于2.3 dB，開關時間小于30 ns。
參 考 文 獻
［1］顧墨琳.微波固體電路設計\\[M\\]. 南京:機械電子工業部第十四研究所，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:國防工業出版社，2006.
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
