宽带小型化高隔离度SPDT开关的研制

摘要：微波开关是微波控制电路中的基本部件，是实现在各种恶劣环境和特定的空间内将微波信号进行切换的特定功能元件，它在雷达、电子对抗、微波通信、卫星通信以及微波测量等方面有着广泛的应用。在此通过合理的电路布局和结构设计，结合微组装工艺，实现了在3～12 GHz范围内，插入损耗小于3．2 dB，隔离度大于70 dB，整体尺寸小于20 mm×15 mm×10 mm的一种宽带小型化SPDT开关。
关键词：SPDT开关；宽蒂；小型化；高隔离度；微组装

0 引言
    现代战争中电子系统的地位与日俱增，现代雷达、现代通信、制导武器和电子对抗等系统对微波控制电路的性能指标提出了愈来愈高的要求，主要表现在：信号频段的不断上升、占用带宽的不断扩大、电路体积的不断缩小、关断时隔离度的不断提高等，因此研究一种低插损、宽频带、高隔离度、小型化的微波开关已显得至关重要。

1 工作原理
    最简单的PIN二极管单刀双掷开关，其基本电路连接主要有并联型、串联型、串并联型3种，如图1所示。它们分别由2个并联、2个串联型或者2个并联加2个串联型单刀单掷开关并接构成。在并联型开关中，2个PIN二极管D1和D2分别并接于离分支接头点1／4波长处。如果D1处正向导通，D2处于反向截至状态，则通道A无功率通过。因为从接头参考面向通道A看过，输入阻抗为无限大。而B通道D2处近似开路，故不影响功率通过。这时，输入的微波信号全部从B通道输出，反之，当D1截至，D2导通时，输入信号全部从A通道输出。显然，在串联型开关中，当D1导通，D2截至时，通道A为导通通道而B为断开通道；当D1截至，D2导通时，通道B为导通通道而A为断开通道。在串并联型开关中，当二极管D1、D4正向，D2、D3反向时，信号和通道A接通，相反时和通道B接通。由于有串并联二极管共同起作用，故指标较高。由此可见，只要控制PIN二极管的工作状态，就能使信号在2条不同的通道中换接，实现单刀双掷的功能，且由于单管开关的隔离度和带宽比较小，若要取得更高的隔离度和更宽的频带，就需采用多管级联，组成阵列式开关。

2 设计方案
2．1 关键技术指标
    关键技术指标有：工作频率为3～12 GHz；插入损耗≤3．5 dB；输入输出驻波比≤2；隔离度≥70 dB；幅度一致性≤1．0 dB；供电电压±5 V。
2．2 器件选取
    PIN二极管开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大，而且具有比较理想的开关特性，所以是微波开关的首选器件。论文采用的是Skyworks公司的APD0805硅芯片PIN二极管管芯来实现串并联结构的SPDT开关，管芯参数及其SPICE模型如表1所示。

2．3 仿真设计
    按照技术指标要求，论文采用12只ADP0805管芯串并联构成T型SPDT开关电路。参照厂家提供的SPICE模型参数(表1)，在Agilent公司高频仿真软件ADS中建立二极管模型，并设定优化目标进行仿真和参数优化，优化后的仿真结果如图2所示。其中介质基片选用的是Rogers公司的RT5880，厚度为0．254 mm，介电常数为2．2。由图2仿真结果可以看出，在3～12 GHz的频率范围内开关的插入损耗小于1．5，驻波小于2(反射小于-10 dB)，隔离度大于120 dB。该仿真模型的理论结果已经远远超过了设计要求。

3 开关电路的实现
    将ADS中设计好的仿真模型，利用Layout导出并进行优化布局，最终确定电路板图，并加工。利用微组装工艺技术，用导电胶将PIN管芯、软基片、金丝电感线圈、射频绝缘子与腔体粘接，并通过金丝键合技术实现互联。开关电路中，驱动电路、偏置电路等因素对其微波性能影响非常重要，论文中采用北方华虹公司的BHD-2P2-F35作为开关驱动芯片，用金丝电感和芯片电容相结合实现偏置电路。最终研制出的开关如图3所示，其整体电路尺寸小于20 mm×15 mm×10 mm。测试结果如图4所示。

    由测试结果可以看到，该SPDT开关的各项技术指标均满足设计要求，在3～12 GHz的频率范围内开关的插入损耗<3．2，端口驻波<2，全频段范围内隔离度>70 dB，且两条支路的幅度一致性<0．5 dB。然而无论是插损还是隔离度，仿真曲线都要优于测试曲线。这说明直流偏压的设置、介质板的损耗以微组装工艺误差都会对电路的最终结果产生影响。

4 结语
    论文利用微波高频仿真软件ADS仿真设计并成功研制出了宽带小型化高隔离度SPDT开关，该开关的各项性能指标均可很好地满足某通信系统的需求。随着军用无线通信技术的不断发展，系统对作为射频端电路的重要部件之一的射频开关要求提出了越来越高的要求，高频段、宽频带、高隔离、低插损、小型化将依然是其未来的发展方向。