一種寬帶大功率單刀雙擲開關的國產化設計分析

于春永 袁正昊

（揚州海科電子科技有限公司，江蘇 揚州225000）

1 研發背景簡述

近年來,隨著科學技術的發展，在半導體功放及功率合成技術取得了巨大的進步，極大地提高了雷達通訊系統輸出的功率。最為該系統中常用控制器件的開關，隨著輸出功率的增大，其所承受的功率也隨之增大。此外，隨著超寬帶通信技術的發展與普及應用，無線通訊系統對于寬頻帶、大功率、低損耗的PIN 開關需求越來越迫切。但目前我國市面上的PIN 開關，其原件大都是進口貨，長期以來受美國為首的西方陣營國家的禁運，如1949 年成立的巴統協會，以及在1994 年巴統協會解散后形成的瓦森納決議，都是西方對我國技術封鎖的重要形式。而且，近年來，隨著中美貿易戰的開啟，電子元件的進口更是難以保障，而且，當前進口的電子元器件不僅存在著質量風險，還存在著安全隱患，不利于我國的國家安全建設。基于此，實現寬帶大功率單刀雙擲開關的國產化設計就變得極為迫切。

2 寬帶大功率單刀雙擲開關簡介

單刀雙擲開關是一種由動端與不動端組成的開關，其中的動端就是所謂的“刀”，連接著電源的進線，同時也是與開關手柄相連的一端；而與其相連的另外的兩端就是電源輸出的兩端，也就是所謂的不動端，是鏈接用電設備的端口。在實際運用中，單刀雙擲開關可以控制電源向兩個不同的方向進行輸出，換句話說，就是能控制兩臺不同的設備，或者控制一臺設備轉換運轉的方向。

目前，應用在市面上的大功率單刀雙擲開關一般分為3 種結構：機械開關、鐵氧體開關與PIN 開關。其中，機械開關和鐵氧體開關承受的功率較高，但這兩種開關切換的速度較慢，而且其使用的壽命也較為有限。而PIN 開關則不然，其開關切換的速度較快，而且開關的次數不受限制，因此具有極大的優勢，在當前的通信系統中發揮著巨大的作用。

3 PIN 寬帶大功率單刀雙擲開關的國產化設計研究

3.1 PIN 二極管國產化設計

PIN 開關中最關鍵的元器件就是PIN 二極管，這種管芯基本依靠進口，但一直以來，我國都十分重視該技術的攻關。經過幾十年的研發，目前，我國在管芯研發和生產方面已經取得了巨大的突破，門類已經逐步齊全，PIN 開關中的二極管，大部分都可以實現國產化，但仍有部分型號的管芯在性能參數方面，與國外進口管芯的性能具有一定的差異，但這一問題可以從電路整體的設計方面進行優化，從而彌補性能方面的差距，最終促使其達到項目工序所需的性能指標。

在實際設計中，PIN 開關核心的元器件是PIN 二極管，這種二極管大都是由硅或者砷化鎵材料制成的，具有以直流低電流、低電壓控制及大功率的顯著特性。在本設計中，為了保證PIN 開關的性能，特意采用了垂直結構的二極管設計，在進行材料外延生長時，控制P+層和N+層參雜的濃度大于2.5×1018，而夾一層本征層i 層的厚度約為3 ，載流子的濃度接近3×1014。

3.2 單刀雙擲開關電路設計

在實際運用中，單刀雙擲開關的電路結構通?？煞譃榇撌?、并聯式以及串并聯混合式三種結構。其中串聯式與串并聯混合式結構中串聯的PIN 二極管會使開關電路在小功率的狀態下就開始壓縮，因此，會影響到大功率運行的效率。因此，在大功率系統中，普遍采用并聯式單刀雙擲開關的結構，本文的設計也是基于并聯電路設計的（見圖1）。

圖1 寬帶大功率單刀雙擲開關國產化設計圖

根據圖1 所示，本設計的寬帶大功率單刀雙擲開關，包括第一支路、第一電容、第一偏置電路、第二支路、第二電容、第二偏置電路、第一端口、第二端口、第三端口、第一控制端口和第二控制端口。

在本設計中，第一控制端口輸出第一控制信號并傳輸到第一偏置電路，而第一偏置電路分別連接第一支路中的一端和第一電容的第一端，而第一支路的另一端與第二支路的一端連接處就是第三端口；第一電容第二端連接的第一端口，第二支路的另一端分別連接第二偏置電路和第二電容的第一端，第二電容第二端連接處就是第二端口，第二控制端口輸出第二控制信號直接到達第二偏置電路。

在第一支路中，主要包括電容C1、電容C2，二極管D1 和二極管D2；其中電容C1 的第一端分別連接電容C2 的第一端、第三端口和第二支路，而其第二端則分別連接第一偏置電路、二極管D1 的正極、二極管D2 的正極、電容C2 的第二端以及第一電容的第一端，而二極管D1 的負極和二極管D2 的負極必須接地處理。

第一偏置電路主要包括電感L1 和電容C7；其中電感L1 的第一端分別連接到第一支路和第一電容的第一端，其第二端分別連接第一控制端口與電容C7 的第一端，而電容C7 的第二端進行接地處理。

第二支路主要包括電容C3 和電容C4 以及二極管D3 與二極管D4，其中電容C3 的第一端要與電容C4 的第一端、第三端口以及第一支路相連接；而其第二端則要連接第二偏置電路、二極管D3 的正極與二極管D4 的正極，而電容C4 的第二端則與第二電容的第一端、二極管D3 的負極以及二極管D4 的負極必須進行接地處理。

第二偏置電路則包括電感L2 和電容C8，其中電感L2 的第一端分別與第二支路與第二電容的第一端相連接；其第二端分別與第二控制端口及電容C8 的第一端相連接，而電容C8 的第二端進行接地處理。

3.3 性能測試結果

完成連接以后，根據本文的設計，裝配了開關小模型，然后在6GHz 到18GHz 頻率范圍之間，對其進行性能測試。根據測試的結果，本設計的寬帶大功率單刀雙擲開關性能較傳統的開關在特性方面得到了明顯的改善，在6GHz～18GHz 頻率內，小信號下插時的損耗低于1.3dB，駐波小于1.5，開關時間小于100ns，能夠滿足絕大多數工程的應用需求；自此基礎上，又對其進行了功率實驗。本實驗輸入的功率為10w，監測開關輸出功率，開關大功率時損耗金幣小信號情況下增加0.2～0.3dB，其損耗率完全可以滿足大多數工程項目的實際應用需求，由此可見，本設計是成功的，具有較大的使用價值，可以進行推廣使用。

4 結論

綜上所述，本文對寬帶大功率單刀雙擲開關進行了國產化的設計，選用的元器件軍事國產品牌，并對其進行了一定的優化，改善了傳統型號開關帶寬窄的缺陷，具有大帶寬、插損小、承受功率大的顯著優勢，能夠在超寬帶相控陣天線系統設計中得到廣泛的應用，對于我國半導體產業電子元器件的國產還具有積極的意義。