一種吸收式單刀單擲開關(guān)的設(shè)計

戴林華

（上海華湘計算機(jī)通訊工程有限公司，上海 200233）

0 引 言

近年來，微波控制電路的設(shè)計有了很多新的選擇，但PIN管依舊是一類常用的控制器件，這主要得益于PIN管具有耐功率較大、設(shè)計靈活性高、可靠性高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本文闡述了PIN管的結(jié)構(gòu)和特性，對利用PIN管設(shè)計開關(guān)的常用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，著重對采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進(jìn)行了討論，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 PIN管

PIN管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)中間夾一層本征層（即I層）。在開關(guān)的正常工作中，PIN管芯通常有兩種工作狀態(tài)：當(dāng)它處于正向偏置時，P層的空穴和N層的電子分別注入I層，形成一個高電導(dǎo)率區(qū)，接近于短路；當(dāng)它處于反向偏置時，I層載流子被清空，形成高電阻率區(qū)，接近于開路[1]。在直流電控制下，PIN管的阻抗隨I區(qū)載流子數(shù)目的變化而發(fā)生變化，以此來實(shí)現(xiàn)對微波信號的控制。

圖1 PIN管的結(jié)構(gòu)

PIN管具有寬射頻阻抗和低失真的特性，它是設(shè)計制造高性能微波開關(guān)的關(guān)鍵元器件。目前，用于微波開關(guān)設(shè)計的PIN管主要有PIN管芯和梁式引線PIN管兩大類，它們具有不同的優(yōu)勢。梁式引線PIN管具有更小的結(jié)電容，而PIN管芯具有更小的結(jié)電阻和更高的功率容量[2]。結(jié)合兩者的特性和設(shè)計需求，本設(shè)計主要采用PIN管芯來設(shè)計具體電路。

PIN管芯的等效電路如圖2所示，其中的LS為引線電感，RS為串聯(lián)電阻，CP和Cf為管殼電容。

圖2 PIN管芯的等效電路

當(dāng)PIN管正向偏置和高頻工作時，擴(kuò)散電容Cd將變大并把結(jié)參數(shù)短路，電荷載流子將注入I區(qū)，因此Ri=Ci網(wǎng)絡(luò)僅可由Ri來表示，RS為正向偏置情況下的總串聯(lián)電阻。此時，PIN管的阻抗主要由RS決定。由于RS的值很小，相當(dāng)于電路導(dǎo)通，也就相當(dāng)于開關(guān)的“開”狀態(tài)。

當(dāng)PIN管反向偏置時，擴(kuò)散電容Cd消失，結(jié)電阻Ri變得極大，只有Ci在結(jié)網(wǎng)絡(luò)中是重要的，I區(qū)足以被完全耗盡，則Ri=Ci網(wǎng)絡(luò)將消失。RS為反向偏置情況下的總串聯(lián)電阻，與偏置電流成正比，與頻率成反比。在很多射頻電路應(yīng)用中，其電阻值遠(yuǎn)高于Cj產(chǎn)生的阻抗。在射頻情況下，Cj產(chǎn)生的阻抗很高，串聯(lián)在射頻電路中起斷開或絕緣作用，這就相當(dāng)于開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。

2 PIN管開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多數(shù)PIN管開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反射式，也就是說，當(dāng)它們處于隔離狀態(tài)時，對所連接的傳輸線路呈現(xiàn)射頻開路或射頻短路。而吸收式PIN管開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)始終對其系統(tǒng)呈現(xiàn)很小的回波損耗，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)，但相比反射式電路稍復(fù)雜一些[3]。PIN開關(guān)從電路的實(shí)現(xiàn)方式上可以分成并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PIN開關(guān)電路如圖3所示，單刀單擲PIN開關(guān)中，當(dāng)PIN管反向偏置時，開關(guān)的插入損耗由PIN管的電容電抗決定；當(dāng)PIN管正向偏置時，隔離度由PIN管的串聯(lián)電阻決定[4]。

圖3 并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路

其中，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PIN開關(guān)插損和隔離度估算公式為：

式中，RS為PIN管的正向電阻，C為PIN管的結(jié)電容，f為中心頻率，Z0為特性阻抗。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)的隔離度主要由PIN管的正向電阻決定，插損主要由PIN管的反向電容決定，并隨著頻率升高而有所增加[5]。從隔離度的角度應(yīng)選取低正向電阻的PIN管，從插損角度應(yīng)選取低結(jié)電容的PIN管。

串聯(lián)結(jié)構(gòu)的PIN開關(guān)電路如圖4所示，單刀單擲PIN管開關(guān)中，當(dāng)PIN管正向偏置時，開關(guān)的插入損耗有PIN管的串聯(lián)電阻決定；當(dāng)PIN管反向偏置時，開關(guān)的隔離度由PIN管的電容電抗決定[6]。

圖4 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路

串聯(lián)結(jié)構(gòu)PIN開關(guān)的插損和隔離度估算的公式分別為：

串聯(lián)開關(guān)的隔離度由結(jié)電容決定，并隨著頻率的上升而下降，插損主要由正向電阻決定。

由上述分析可知，插損和隔離度取決于所選的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及開關(guān)所使用的PIN管特性。對于單刀多擲開關(guān)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)低損耗、高隔離度，但其工作頻帶無法拓寬，這是由于對開通支路而言，關(guān)斷支路相當(dāng)于1/4波長的短路線，而這個結(jié)構(gòu)決定了全并聯(lián)開關(guān)的帶通特性。全串聯(lián)單刀多擲開關(guān)中，對于開通支路而言，關(guān)斷支路相當(dāng)于開路線，這一結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)理論上的無限寬帶，但是受串聯(lián)所用PIN管電參數(shù)的限制，其正向電阻通常較大，導(dǎo)致全串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插損相對較大[7-9]。綜合上述兩種電路的優(yōu)點(diǎn)，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路是寬帶多擲開關(guān)的最佳選擇。

串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PIN開關(guān)電路如圖5所示。開關(guān)的插入損耗由正向偏置的串聯(lián)PIN管的串聯(lián)電阻和反向偏置的并聯(lián)PIN管的電容電抗共同決定，隔離度由反向偏置的串聯(lián)PIN管的電容電抗和正向偏置的并聯(lián)PIN管的電阻共同決定。該開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以比任一單二極管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的隔離度。

圖5 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路

3 PIN管的吸收式單刀單擲開關(guān)的設(shè)計

采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路形式，將微帶板及二極管（裸管）通過導(dǎo)電膠粘接到盒體相應(yīng)的位置，隔直電容、PIN二極管與微帶線的連接則通過超聲波壓焊機(jī)來壓金絲來實(shí)現(xiàn)連接，電感是采用恒溫電絡(luò)鐵在顯微鏡下直接焊接[10]。最終實(shí)現(xiàn)的裝配如圖6所示。控制電路的功能主要是將晶體管-晶體管邏輯電平（Transistor Transistor Logic，TTL）信號轉(zhuǎn)換成電壓，給PIN二極管提供正、反偏電壓。

圖6 吸收式單刀單擲開的裝配圖

4 設(shè)計結(jié)果

制作樣品，實(shí)測曲線見圖7和8所示。在整個頻帶0.6～3 GHz范圍內(nèi)，當(dāng)開關(guān)處于開通狀態(tài)下（如圖7所示），端口駐波在低端比較大，但也在設(shè)計要求范圍1.5之內(nèi)，實(shí)測最大為1.489，損耗實(shí)測最大為2.38 dB。當(dāng)開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)下（如圖8所示），端口駐波比較好，實(shí)測最大為1.163，隔離度實(shí)測最小為 81 dB。

圖7 駐波和損耗的測試曲線

圖8 關(guān)斷駐波和隔離度的測試曲線

5 結(jié) 論

采用本文介紹的方法研制了0.6～3 GHz吸收式單刀單擲開關(guān)，其插入損耗≤2.5 dB、隔離度≥80 dB、駐波≤1.5、開關(guān)時間≤1 μs。本次開發(fā)的開關(guān)與現(xiàn)有開關(guān)相比更加穩(wěn)定、可靠且加工方便，宜于進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時還可以廣泛應(yīng)用于其他控制電路的設(shè)計中。