一種高頻大功率吸收式開關(guān)設計

李群春

摘要：本文在8-12GHz的高頻大功率吸收式PIN開關(guān)的設計、制作中，提出了多種新的措施方法，對于成功研制大功率開關(guān)具有重要作用。該開關(guān)插入損耗小于1.4dB、駐波比：≤1.3：1、隔離度大于50dB、連續(xù)波功率大于800W。具有高功率容量、高頻帶寬、損耗小的特點，對于高頻大功率開關(guān)的研制，具有廣泛的推廣應用價值。

關(guān)鍵詞：PIN開關(guān)； 吸收式； 功率容量；

中圖分類號：TB61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

在雷達收發(fā)等電子系統(tǒng)中大功率的高頻開關(guān)電路作為控制器件，實現(xiàn)微波信號的通、斷或轉(zhuǎn)換，其中基于PIN 二極管的微帶型開關(guān)電路，因具有耐功率高、響應快、體積小、重量輕等優(yōu)點而得到廣泛應用。本文設計的8-12GHz高頻大功率吸收式開關(guān)具有承受連續(xù)波大功率、高隔離度以及低插入損耗的特點，具有推廣應用價值。

1高頻大功率開關(guān)設計[3-6]

1.1 PIN吸收式開關(guān)工作原理

吸收式單刀雙擲開關(guān)的原理圖如圖1。K0為輸入端，K1、K2為兩個輸出端，當V1加負壓即二極管D1為反偏狀態(tài)，D1相當于開路，所以從輸入端向K1端看，輸入阻抗基本為零，信號可以到達K1端口；而V2加正壓即二極管D2正偏狀態(tài)，D2相當于短路，它離輸入面的距離為λ/4，所以從輸入端向K2端看，輸入阻抗無窮大，信號無法到K2端口。加正壓時，電阻R2和L2并聯(lián)然后同D2串聯(lián)到地，R2為50歐姆，所以從K2端口向D2面看，相當于50歐姆到地，信號基本沒有反射，達到吸收設計要求。

1.2高頻大功率開關(guān)電路性能優(yōu)化設計

由于8-12GHz開關(guān)，大功率、低插損、吸收式的設計要求。本設計首次采用單臂三節(jié)全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后一節(jié)加50歐姆和電感到地，使其在關(guān)斷狀態(tài)時為吸收態(tài)，而不是全反射。

首次采用三線鍵合工藝和微帶線T型結(jié)設計，根據(jù)上述條件進行優(yōu)化仿真鍵合線長度和弧度、T型結(jié)尺寸。試驗結(jié)果證明三根并行的金絲鍵合互連比單根或者兩根鍵合線能更好的降低串聯(lián)電感，其效果更加接近平直簡短的單根引線；微帶線不連續(xù)處采用T型結(jié)設計，使之對信號傳輸?shù)挠绊懘蠓档停?使微波控制電路的高頻性能更加優(yōu)良，相對帶寬更寬。這樣的電路插入損耗小，駐波系數(shù)小 可提供相對較高的隔離度。

建立起電路模型如圖2所示。

1.3高頻大功率開關(guān)散熱設計和封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高頻大功率開關(guān)的一個難點就是大功率下的散熱和封裝耐功率、耐干擾等設計。

首次采用鉬銅金屬基板高溫焊料燒結(jié)工藝。選用全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以保證所有的二極管管芯都能直接接地，把芯片用高溫焊料燒結(jié)在基板上，然后把基板燒結(jié)在金屬封裝的腔體內(nèi)，二極管直接和金屬燒結(jié)一起，芯片背面直接接地散熱，具有散熱快的優(yōu)點，通過熱設計優(yōu)化確定金屬基板尺寸和盒體腔體結(jié)構(gòu)，保證了散熱的需求，從而能承受較大的功率。

在高頻大功率時，盒體的腔體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生諧振和泄漏，使電路高頻插損急劇變差，電磁兼容能力減小等。通過優(yōu)化設計消除腔體可能引起的諧振，輸入輸出采用燒結(jié)絕緣子方式，保證開關(guān)盒體為全密封結(jié)構(gòu)，使其可靠性和電磁兼容能力及耐功率擊穿能力大大提高。

2實際結(jié)果與分析

實物版圖如圖4。實際測試的結(jié)果如圖5在10GHz頻率下輸入連續(xù)波850W信號，保持25min，然后測試指標不變，滿足了連續(xù)波功率大于800W的設計指標。

從以上測試數(shù)據(jù)分析可知，由于盒體腔體，鍵合線等影響，在頻率8-12GHz內(nèi)測試結(jié)果比優(yōu)化指標變差一些，但總體上同設計優(yōu)化的結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論

本文給出了一種高頻大功率吸收式開關(guān)設計方法。首次采用三根鍵合線并行互連和T型結(jié)的高頻性能設計，并通過仿真對帶線和散熱金屬基片及盒體結(jié)構(gòu)的熱設計等進行優(yōu)化得到良好參數(shù)指標。考慮到實物加工時盒體腔內(nèi)因素，以及鍵合帶線等對產(chǎn)品性能有較大的影響。因此在誤差范圍內(nèi)，最終結(jié)果顯示該設計方法可行并且表現(xiàn)出低插損，低駐波的良好性能，承受功率可以達到連續(xù)波800W以上，完全滿足設計需求。

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