基于ADS仿真技術的通信電臺收發開關的設計與應用

周啟奎

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都，610036）

0 前言

隨著無線通信技術的發展，移動通信、雷達探測、衛星通信等系統對收發開關的各項技術指標要求越來越嚴，如隔離度、轉換速度、功率容量、集成性等方面。射頻開關是通訊領域控制信號的傳輸路徑和信號大小幅度的器件,從工作原理上可分為機械開關、鐵氧體開關、PIN二極管開關、EFT場效應開關。機械開關和鐵氧體開關能承受較高功率，但受到切換速度和壽命的影響，不宜應用于高速、頻繁切換的電路；PIN二極管開關因其插入損耗低、隔離度大、開關速度快、承受功率大、開關壽命長、電路設計靈活多樣等諸多優點，被廣泛應用于無線通信、電子對抗、雷達探測系統等許多領域。無線通信系統的半雙工收發電路中，一般采用開關切換技術來使收發通道共享一副天線，減少電路的體積和重量。本文所設計應用的收發開關用于某無線通信電臺天線端口至發射機和天線端口至接收機之間的切換，實現收發通道共享一副天線。如圖1所示。

圖1 收發開關示意圖

1 PIN二極管結構與工作原理

PIN二極管（PIN Diode)簡稱PIN管。PIN管是一種兩端半導體元器件，通常由硅或砷化鎵材料制成，它的結構是在重摻雜的P+和N+區之間加入一個未摻雜的本征層I層構成，如圖2所示。

圖2 PIN管構成示意圖

PIN二極管的工作原理是利用其在直流電壓的控制下，PIN二極管的阻抗隨著I區載流子數量的變化而變化的特性實現對射頻微波信號的控制，呈現近似導通或者斷開的阻抗特性，結合串聯、并聯或者串并聯的組合方式，從而實現通道轉換作用。

在正向電流偏置下，空穴和電子被注入到I層，使得I層對射頻微波信號只呈現一個線性電阻，阻抗RS最小，接近于短路。其等效電路由一個寄生電感和電阻RS組成，如圖3(a)所示。其中Lint為寄生電感，RS為串聯等效電阻。在反向偏置時，I層不會存儲電荷，二極管就等效為一個電容Cj并聯一個電阻Rr,阻值最大接近于開路，其等效電路如圖3(b)所示。其中Lint為寄生電感，Rr為等效并聯電阻，Cj為結電容。

圖3 PIN二極管等效電路

PIN二極管的直流伏安特性和PN結二極管直流伏安特性一樣，但在射頻微波頻段有著根本的差別。PIN二極管I層的總電荷主要由偏置電流產生，而不是由微波電流瞬時值產生，對微波信號只呈現一個線性電阻。此阻值由直流偏置所決定，正偏時阻值小，接近于短路，相當于開關的“開”狀態；反偏時阻值大，接近于開路，相當于開關的“關”狀態。因此，PIN二極管對微波信號不產生非線性整流作用，和一般二極管有著本質的區別，故此很適合于做射頻微波控制器件。

2 PIN二極管的主要技術參數

(1)截止頻率

由于PIN二極管受分布參數的影響，如管殼電容、引線電感和結電容作用，其頻帶范圍帶寬是有限的。

式中，RS為正向電阻，Rr為反向電阻，Cj為結電容。

(2)插入損耗和隔離度

由PIN二極管的等效電路可知，在分布參數的作用下，在正偏時開關的衰減不為零，存在一定數值的電抗及損耗電阻，此時的阻抗稱為插入損耗。同理，開關在關斷時受其分布參數的影響，其衰減也并非無窮大，此時的阻抗稱為隔離度。隔離度和插入損耗是衡量開關優劣的主要指標，工程應用中通常希望插入損耗小、隔離度大。對于串聯型開關而言，在50Ω的微波射頻系統中，插入損耗為：

其隔離度為：

對于串聯型開關而言，在50Ω的微波射頻系統中，插入損耗為：

其隔離度為：

式中，Rs為正偏時的等效串聯電阻；Zo為系統阻抗值；Ct為反偏時的等效結電容；f為測試頻率。

(3)開關速率

由于電荷的存儲效應，PIN開關二極管從導通狀態變為截止狀態，以及從截止狀態變為導通狀態都需要一個過程。這個轉換過程所需的時間為開關時間，也就是開關轉換速率。

(4)功率容量

射頻微波開關所能承受的最大輸入功率稱為功率容量。它與PIN管管芯PN結面積以及電路類型、工作狀態、散熱條件等有關。

(5)電壓駐波系數

電壓駐波系數反映射頻微波端口輸入、輸出匹配情況。任何高頻信道上的元器件都會產生插入損耗，同時還會使信號傳輸線上的駐波增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成，這種干涉波是因系統中不同電路、元器件的阻抗不匹配或者電路系統中連接點的阻抗不匹配所造成的。

3 PIN開關二極管應用設計與實現

基于上述PIN二極管正反偏下不同的阻抗特性，可以用來控制電路的通斷，組成微波射頻開關電路。在電路應用中，一個PIN二極管就可以構成一個簡單的單刀單擲開關，如圖4所示。

圖4 單刀單擲開關

串聯型結構的開關常常用于寬頻帶和低插損的電路，其最大隔離度取決于PIN二極管在零偏或者反相偏置時的結電容Cj，插損和功耗由二極管的正向電阻RS所決定；并聯型結構開關電路適合寬頻率范圍，較大隔離度的電路中，隔離度取決于PIN管的正向電阻，插入損耗主要取決于PIN管的反相結電容。

在工程應用中，多擲開關有更廣泛的應用，用2個或者2個以上的PIN管就可以組成一個簡單的單刀雙擲開關，也通常有3種形式：串聯型結構、并聯型結構和串并聯型結構，如圖5所示。

圖5 單刀雙擲開關

根據系統要求，發射時接收端隔離度要求≥30dB，結合前面對PIN開關模型的分析，利用ADS仿真系統仿真，提出了一種設計方案，電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖

通過綜合考慮和ADS仿真驗證，最終選擇MA-COM公司生產MA8334-001和MA4P504-1072T構成了一個“串聯”型電路。根據PIN二級管的高頻模型和所選管子的主要參數，利用ADS建模仿真如圖7、圖8所示。

圖7 收發開關仿真模型

圖8 ADS模型仿真結果

用安捷倫8712ES矢量網絡分析儀測試，測試結果如表1所示。

表1 隔離度、插損、駐波測試數據

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4 結束語

本文仿真設計的收發開關具有體積小、插入損耗低、反應速度快、承受功率大，收發共用一副天線，有效的減小電路體積和冗余，隔離度等各項指標性能滿足某通信系統需求，該方案簡單實用、穩定可靠。