一種寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)分析

于春永 袁正昊

（揚(yáng)州海科電子科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州225000）

1 研發(fā)背景簡述

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在半導(dǎo)體功放及功率合成技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，極大地提高了雷達(dá)通訊系統(tǒng)輸出的功率。最為該系統(tǒng)中常用控制器件的開關(guān)，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(shù)的發(fā)展與普及應(yīng)用，無線通訊系統(tǒng)對于寬頻帶、大功率、低損耗的PIN 開關(guān)需求越來越迫切。但目前我國市面上的PIN 開關(guān)，其原件大都是進(jìn)口貨，長期以來受美國為首的西方陣營國家的禁運(yùn)，如1949 年成立的巴統(tǒng)協(xié)會，以及在1994 年巴統(tǒng)協(xié)會解散后形成的瓦森納決議，都是西方對我國技術(shù)封鎖的重要形式。而且，近年來，隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的開啟，電子元件的進(jìn)口更是難以保障，而且，當(dāng)前進(jìn)口的電子元器件不僅存在著質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，還存在著安全隱患，不利于我國的國家安全建設(shè)。基于此，實(shí)現(xiàn)寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)就變得極為迫切。

2 寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)簡介

單刀雙擲開關(guān)是一種由動端與不動端組成的開關(guān)，其中的動端就是所謂的“刀”，連接著電源的進(jìn)線，同時(shí)也是與開關(guān)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(shè)備的端口。在實(shí)際運(yùn)用中，單刀雙擲開關(guān)可以控制電源向兩個(gè)不同的方向進(jìn)行輸出，換句話說，就是能控制兩臺不同的設(shè)備，或者控制一臺設(shè)備轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)的方向。

目前，應(yīng)用在市面上的大功率單刀雙擲開關(guān)一般分為3 種結(jié)構(gòu)：機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)與PIN 開關(guān)。其中，機(jī)械開關(guān)和鐵氧體開關(guān)承受的功率較高，但這兩種開關(guān)切換的速度較慢，而且其使用的壽命也較為有限。而PIN 開關(guān)則不然，其開關(guān)切換的速度較快，而且開關(guān)的次數(shù)不受限制，因此具有極大的優(yōu)勢，在當(dāng)前的通信系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用。

3 PIN 寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)研究

3.1 PIN 二極管國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

PIN 開關(guān)中最關(guān)鍵的元器件就是PIN 二極管，這種管芯基本依靠進(jìn)口，但一直以來，我國都十分重視該技術(shù)的攻關(guān)。經(jīng)過幾十年的研發(fā)，目前，我國在管芯研發(fā)和生產(chǎn)方面已經(jīng)取得了巨大的突破，門類已經(jīng)逐步齊全，PIN 開關(guān)中的二極管，大部分都可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但仍有部分型號的管芯在性能參數(shù)方面，與國外進(jìn)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(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，從而彌補(bǔ)性能方面的差距，最終促使其達(dá)到項(xiàng)目工序所需的性能指標(biāo)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，PIN 開關(guān)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(shè)計(jì)中，為了保證PIN 開關(guān)的性能，特意采用了垂直結(jié)構(gòu)的二極管設(shè)計(jì)，在進(jìn)行材料外延生長時(shí)，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(guān)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)用中，單刀雙擲開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)通常可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式以及串并聯(lián)混合式三種結(jié)構(gòu)。其中串聯(lián)式與串并聯(lián)混合式結(jié)構(gòu)中串聯(lián)的PIN 二極管會使開關(guān)電路在小功率的狀態(tài)下就開始壓縮，因此，會影響到大功率運(yùn)行的效率。因此，在大功率系統(tǒng)中，普遍采用并聯(lián)式單刀雙擲開關(guān)的結(jié)構(gòu)，本文的設(shè)計(jì)也是基于并聯(lián)電路設(shè)計(jì)的（見圖1）。

圖1 寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)圖

根據(jù)圖1 所示，本設(shè)計(jì)的寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)，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(shè)計(jì)中，第一控制端口輸出第一控制信號并傳輸?shù)降谝黄秒娐罚谝黄秒娐贩謩e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(dá)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(fù)極和二極管D2 的負(fù)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(jìn)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(fù)極以及二極管D4 的負(fù)極必須進(jìn)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(jìn)行接地處理。

3.3 性能測試結(jié)果

完成連接以后，根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，裝配了開關(guān)小模型，然后在6GHz 到18GHz 頻率范圍之間，對其進(jìn)行性能測試。根據(jù)測試的結(jié)果，本設(shè)計(jì)的寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)性能較傳統(tǒng)的開關(guān)在特性方面得到了明顯的改善，在6GHz～18GHz 頻率內(nèi)，小信號下插時(shí)的損耗低于1.3dB，駐波小于1.5，開關(guān)時(shí)間小于100ns，能夠滿足絕大多數(shù)工程的應(yīng)用需求；自此基礎(chǔ)上，又對其進(jìn)行了功率實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)輸入的功率為10w，監(jiān)測開關(guān)輸出功率，開關(guān)大功率時(shí)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(shù)工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用需求，由此可見，本設(shè)計(jì)是成功的，具有較大的使用價(jià)值，可以進(jìn)行推廣使用。

4 結(jié)論

綜上所述，本文對寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行了國產(chǎn)化的設(shè)計(jì)，選用的元器件軍事國產(chǎn)品牌，并對其進(jìn)行了一定的優(yōu)化，改善了傳統(tǒng)型號開關(guān)帶寬窄的缺陷，具有大帶寬、插損小、承受功率大的顯著優(yōu)勢，能夠在超寬帶相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，對于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電子元器件的國產(chǎn)還具有積極的意義。