基于PIN管的寬帶高隔離度開關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真

唐 正 呂曉蕊

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430079)(2.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430205)

基于PIN管的寬帶高隔離度開關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真

唐 正1呂曉蕊2

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430079)(2.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430205)

在射頻電路中, PIN管廣泛地用作射頻開關(guān)。論文設(shè)計(jì)了一款新型的寬帶高隔離度收發(fā)開關(guān)電路,該單刀雙擲開關(guān)(SPDT)工作頻率為50MHz～2GHz,發(fā)射機(jī)到接收機(jī)端口隔離度在30dB以上。通過電路仿真對比,新型的SPDT開關(guān)的射頻性能得到明顯提高,能夠適應(yīng)無線系統(tǒng)對SPDT開關(guān)的要求。

PIN管; SPDT; 射頻開關(guān); ADS仿真

Class Number TN385

1 引言

PIN管作為射頻開關(guān),越來越廣泛地應(yīng)用在射頻電路中[1～2]。在時(shí)分復(fù)用的收發(fā)系統(tǒng)中,單刀雙擲開關(guān)(SPDT)可以將天線、發(fā)射鏈路以及接收鏈路按時(shí)序連接并保護(hù)起來。特別是雷達(dá)系統(tǒng),發(fā)射機(jī)功率越來越大,接收機(jī)靈敏度越來越低。為了追求高靈敏度方案,第一級低噪聲放大器噪聲系數(shù)越做越小。但是,低噪聲放大器的噪聲性能和最大輸入功率性能是一對相互矛盾的值,為了保護(hù)低噪聲放大器不被發(fā)射機(jī)的大功率損壞,系統(tǒng)對收發(fā)開關(guān)的隔離度要求越來越高[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的寬帶高隔離度收發(fā)開關(guān)電路,SPDT工作頻率范圍50MHz～2000MHz,發(fā)射機(jī)到接收機(jī)端口隔離度在30dB以上。

2 電路基本原理

圖1 PIN管正向偏置模型

圖2 PIN管反向偏置模型

PIN二級管對射頻信號的開關(guān)控制是通過改變PIN二級管偏置電壓來實(shí)現(xiàn)[4]。當(dāng)PIN管正向偏置時(shí),PIN管導(dǎo)通(模型如圖1),PIN管等效為電感L串聯(lián)電阻Rs的電路,Rs是導(dǎo)通電阻,阻抗在1Ω以下,L是PIN管管腳的等效電感,電感值在幾個(gè)nH以內(nèi)；當(dāng)PIN管反向偏置時(shí),PIN管截止(模型如圖2),此時(shí)PIN管等效為一組Rp和Ct并聯(lián)后再串聯(lián)電感L的電路,Rp是截止電阻,阻值趨近于無窮大,Ct是結(jié)電容,容值在幾個(gè)pF以內(nèi)[5]。正向?qū)〞r(shí),Rs的值決定了PIN管的插損；反向截止時(shí),Ct的值決定了PIN管的隔離度。

單刀單置射頻開關(guān)有三種形式,分別是：串聯(lián)型、并聯(lián)型[6]和串并型(如圖3)。三種形式的開關(guān)的性能指標(biāo)見表1。由表1知,串并型的開關(guān)的隔離度是最大的。

圖3 單刀單置開關(guān)形式

類型隔離度(dB)插損(dB)串聯(lián)單刀單置開關(guān)10log101+Xc2Z()2[]20log101+Rs2Z[]并聯(lián)單刀單置開關(guān)20log101+Z2Rs[]10log101+Z2Xc()2[]串并型單刀單置開關(guān)10log101+z2Rs()2[+Xc2Z()21+ZRs()2]10log101+z2Rs()2[+Z+Rs2Xc()2]

在時(shí)分無線系統(tǒng)的應(yīng)用中,天線要在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間切換,兩條鏈路按時(shí)序交替工作,可以通過單刀雙擲的射頻開關(guān)來實(shí)現(xiàn),典型的單刀雙擲開關(guān)電路[7]如圖4。

圖4 傳統(tǒng)單刀雙擲開關(guān)電路

圖4電路中,兩個(gè)PIN管同時(shí)偏置,在發(fā)射機(jī)工作時(shí),D1和D2同時(shí)正向偏置,此時(shí)D1將發(fā)射機(jī)與天線口聯(lián)系起來,D2此時(shí)也導(dǎo)通,它將接收機(jī)鏈路短路,由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在鏈路中是并聯(lián)形式,為了使發(fā)射鏈路交流阻抗不受D2短路影響,在天線與D2之間需串聯(lián)一條1/4λ傳輸線,傳輸線的作用是阻抗變化,將0Ω的射頻阻抗變化到無窮大[8],從節(jié)點(diǎn)J往接收鏈路方向看去,交流阻抗達(dá)到無窮大,直流阻抗不發(fā)生改變,信號從發(fā)射機(jī)流向天線,不會(huì)到達(dá)接收機(jī)。接收機(jī)工作時(shí),D1和D2截止,天線口信號只能傳遞給接收鏈路。

3 一種寬帶高隔離度SPDT開關(guān)仿真設(shè)計(jì)

寬帶高隔離度SPDT開關(guān)的基本原理與傳統(tǒng)SPDT開關(guān)基本相同,為了得到更高的隔離度和更寬的帶寬,新的開關(guān)電路(如圖5)在電路節(jié)點(diǎn)J與1/4λ線間串聯(lián)一個(gè)PIN管D3,并去掉1/4λ線。新的電路可以改善傳統(tǒng)SPDT開關(guān)的一些不足：第一,串聯(lián)一級PIN管D3可以提升隔離度20dB；第二,在傳統(tǒng)的SPDT開關(guān)電路中,當(dāng)偏離中心頻率較多時(shí),D2的短路效應(yīng)會(huì)逐步顯現(xiàn)出來,從而影響到發(fā)射機(jī)阻抗,增加D3,去掉1/4λ線后可以展寬開關(guān)電路的頻率響應(yīng)范圍。

圖5 高隔離度改善型SPDT電路

現(xiàn)在將兩種SPDT電路的射頻性能進(jìn)行比較,所選PIN管為SMP1322-079,其主要參數(shù)[9]為Rs為0.6Ω,Ls為0.7nH,Ct為1pF。SMP1322-079有ADS模型,分別對圖4和圖5中電路進(jìn)行ADS仿真[10],其中S(2,1)是發(fā)射機(jī)到天線口的傳輸系數(shù),即插損；S(3,1)是發(fā)射鏈路到接收鏈路的傳輸函數(shù),即隔離度。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)SPDT開關(guān)射頻性能

圖7 改善型SPDT開關(guān)射頻性能

從仿真結(jié)果可以看出,傳統(tǒng)的SPDT開關(guān)的工作帶寬窄,隔離度差,S(2,1)的3dB帶寬為1.34GHz,且?guī)?nèi)的隔離度不理想,隔離度隨頻率升高惡化明顯,高頻隔離度大于-12dB。改善型SPDT開關(guān)射頻性能明顯提高,在50MHz～2GHz頻帶內(nèi),發(fā)射機(jī)到天線端口的差損最大只有-0.012dB；全頻段的隔離度小于-30dB,當(dāng)頻率低于1.2GHz時(shí),隔離度小于-40dB。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了PIN二極管在射頻開關(guān)中的應(yīng)用,并設(shè)計(jì)了一款基于SMP1322-079,工作頻率為50MHz～2GHz的寬帶高隔離度低損耗SPDT開關(guān)。通過電路仿真對比,新型的SPDT開關(guān)的射頻性能明顯得到提高,能夠適應(yīng)無線系統(tǒng)對SPDT開關(guān)的要求。

[1] 顧穎言.PIN管控制電路功率容量的確定[J].現(xiàn)代雷達(dá),2005,27(3):60-64.

[2] 章敏,蔡德林,任鳳.基于PIN管的開關(guān)限幅器仿真與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2013,3:70-72.

[3] 許正彬,崔寅杰,錢澄.基于微帶線的W波段寬帶pin管開關(guān)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,9:881-885.

[4] 蒙燕強(qiáng).基于PIN管的微波寬帶開關(guān)陣研究[D].成都:電子科技大學(xué),2009:4-8.

[5] David M. Pozar[D]. Microwave Engineering Third Edition,2006(3):442.

[6] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. RF Circuit Design: Theory and Applications[M]. New Jersey: Prentice Hall,2000.

[7] White J F. Microwave Semiconductor control circuit.1983:396.

[8] 嚴(yán)豐慶,錢澄.射頻開關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子器件,2005,28(1):97-100.

[9] SMP1322 Datesheet[EB/OL]. http//www.skyworksinc.com.

[10] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

Design and Simulation of Wide-band and High-isolation Switch Based on PIN Tube

TANG Zheng1LV Xiaorui2

(1. Hubei Communication Technical College, Wuhan 430079) (2. Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430205)

PIN diode is widely used as RF switch in RF circuit. This paper introduces the design of a new type of wide-band and high-isolation switch circuit, the frequency of this SPDT is 50MHz～2GHz, the isolation from transmitter to receiver is more than 30dB. By the comparison of simulation, the RF performance of the new type of SPDT switch is obviously improved, which can meet the requirements of the wireless system for SPDT switches.

PIN diode, SPDT, RF switch, ADS simulation

2016年7月12日,

2016年8月21日

唐正,男,碩士研究生,工程師,研究方向:射頻電路設(shè)計(jì)。呂曉蕊,女,碩士研究生,講師,研究方向:通信抗干擾技術(shù)。

TN385

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.039