5 mm高隔離鰭線單刀雙擲開關*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

在毫米波電路與系統中，開關起著非常重要的作用[1-2]，前端各通道間的快速切換需要一系列的開關電路來控制完成。在毫米波頻段，常見的單刀單擲(SPST)、單刀雙擲(SPDT)及單刀四擲(SPQT)等開關通常是采用半導體工藝實現的MMIC商用芯片。除此之外，在毫米波高頻段，由于鰭線傳輸電路低損耗、弱色散的特點，采用混合集成電路工藝實現的鰭線開關也較常見。在文獻中，多為8 mm和3 mm頻段單刀單擲及單刀雙擲開關的報道[3-4]，并就降低插損、提高隔離度的措施進行了研究與討論[5]。目前文獻中報道的8 mm及3 mm頻段鰭線單刀雙擲開關，最好的隔離度能達到35 dB左右。

本文設計的5 mm頻段鰭線單刀雙擲開關，基于成熟的鰭線混合集成工藝，采用并聯梁式引線PIN二極管形式，并通過鰭線夾縫中一種新穎的電路結構，有效抑制了夾縫能量的泄露。經加工測試，在50～56 GHz頻帶內，獲得了優良的低插損、高隔離特性。該開關模塊結構簡單，性能優良，易于實現，滿足了工程應用需求。

2 鰭線開關的設計

2.1 開關原理

對于反射式PIN二極管開關，PIN管布局通常采用并聯或串聯形式[6-7]。考慮到鰭線電路結構，該模塊中二極管采用并聯形式，對稱分布在鰭線T形節的兩支臂上，通過控制信號實現二極管的正偏和反偏，進而實現并聯低阻抗(近似短路)和并聯高阻抗(近似開路)。根據鰭線電路特性，并聯低阻端信號將被反射，實現隔離；而并聯高阻端信號將呈現低損耗傳輸，實現導通。開關原理如圖1所示。

圖1 并聯型鰭線開關原理圖

插入損耗定義為理想開關在“通”狀態傳遞給負載的功率與實際開關(“通”態)真正傳遞負載功率之比值，常以分貝數表示。如果用VL表示在理想開關負載兩端的電壓，插入損耗(IL)可寫為

(1)

式中，VLD為實際開關負載兩端電壓。

考慮到鰭線電路特性，實際兩分支臂阻抗為串聯而非并聯關系，因此圖1中的原理圖可以簡化為源阻抗、導通端口阻抗、隔離端口阻抗三者級聯的簡化電路圖，如圖2所示。導通端(即并聯PIN管反向偏置)插入損耗可以表示為

(2)

隔離端(即并聯PIN管正向偏置)隔離度可以表示為

(3)

式中，ZR和ZF分別為PIN二極管反偏和正偏阻抗，Z0為標準源和負載阻抗。

圖2 并聯型鰭線開關簡化電路圖

2.2 二極管模型建立與選取

對于混合集成鰭線開關，PIN二極管是其核心器件，設計中所建模型是二極管在低頻控制電壓作用下的正、反偏兩種穩態線性模型。文中選用的梁式引線封裝PIN二極管，模型中不僅包含P-I-N結參數，還需引入封裝寄生參數的影響。圖3是考慮封裝寄生參數的梁式引線二極管的等效電路。

圖3 PIN二極管等效電路圖

圖3中，Rs是PIN結中歐姆接觸電阻，Rj和Cj分別是結參數中的可變結電阻和結電容，Cp和Ls分別為封裝引入的封裝電容和引線電感。

從2.1節分析可知，要使開關獲得低插損、高隔離特性，就要求PIN二極管具有更低的正向導通阻抗和更高的反向隔離阻抗，因此管子的選取通常是多個性能折衷考慮后的結果。本文中選用M-pulse公司的MP-5220梁式引線封裝PIN二極管。

2.3 夾縫結構設計

要在5 mm頻段獲得40 dB以上的高隔離特性(相當于從隔離端泄露的能量小于饋入能量的萬分之一)，一方面需要在鰭線主傳輸路徑上并聯足夠的PIN二極管，在正偏狀態下獲得盡可能小的并聯阻抗，以逼近對傳輸能量的理想反射；另一方面，由于鰭線安裝而不可避免的夾縫結構，可等效為介質填充波導，在毫米波高頻段很容易構成能量傳輸通道或諧振結構，因此也必須采取措施對夾縫中泄露的能量進行抑制和干擾。

通過對無安裝夾縫的理想開關模型的仿真發現，一側并聯4個PIN開關可以獲得50 dB以上的隔離度。因此，夾縫結構設計成為獲得高隔離度的關鍵。文獻中提到的提高隔離度措施比較復雜，且在毫米波頻段高端效果也不太理想。本文在此提出了一種新穎的夾縫結構，如圖4所示，根據實際電路布局，在接地鰭線夾縫結構上采用孔壁金屬化接地孔陣列，孔心距小于四分之一波導波長，而在絕緣鰭夾縫結構中采用離散接地孔與梳狀絕緣帶線的交錯排列形式。兩種結構可在不影響直流控制信號饋入的情況下實現對能量泄露的抑制和對諧振結構的有效干擾，并且在基片加工時一次成型，無需后續的安裝與調試，簡單實用。

2.4 開關設計與仿真

鰭線槽寬和二極管間距的選擇是鰭線開關設計中的關鍵。鰭線槽寬與鰭線傳輸線阻抗密切相關，從式(2)和式(3)的推導結果可以看到，導通時希望鰭線阻抗遠小于二極管反偏阻抗(Z0<>ZF)，因此鰭線槽寬的選擇無法同時滿足上述要求。同時鰭線槽寬還要考慮梁式引線封裝二極管的安裝需要。綜合上述因素，設計中鰭線槽寬設為0.15 mm，而二極管間距取決于工作頻段及帶寬要求。由于PIN二極管寄生參量的影響，4個管子兩兩間距并不是標準1/4鰭線傳輸導波波長，實際尺寸需要進行優化調整。

在三維場仿真軟件HFSS中建立單刀雙擲鰭線開關的三維仿真模型(根據實際應用需要，輸入輸出均加入鰭線波導轉換)，如圖5所示。

圖5 SPDT鰭線開關三維仿真模型

3 鰭線開關的實現與測試

鰭線開關采用0.127 mm厚的RT/Duroid 5880軟基片，梁式引線二極管采用導電膠粘接，絕緣鰭部分采用絕緣膜與波導腔體絕緣。開關模塊實物如圖6所示。

圖6 SPDT鰭線開關實物

實測中采用高頻替代法進行開關模塊插損和隔離度的測試。圖7是該開關模塊插損和隔離度仿真與實測的對比結果?？梢钥吹剑?0～56 GHz頻帶內，開關的寬帶導通特性實測和仿真結果吻合得很好，實測導通端插損帶內小于2.3 dB。隔離度實測和仿真有一定差異，但實測結果帶內隔離仍大于50 dB,滿足了應用要求。分析隔離度變化的原因，一方面在5 mm頻段由于趨膚效應作用二極管實際正偏電阻比所建仿真模型大，另一方面腔體安裝槽的加工誤差，導致介質基片不能緊密貼合外腔壁，也會造成一定的能量泄漏。

圖7 SPDT鰭線開關仿真與實測結果對比

4 結 論

本文主要講述5 mm(U頻段)單刀雙擲開關模塊的設計與實現。該開關模塊基于鰭線電路結構，采用并聯梁式引線PIN二極管形式設計。通過采用一種新穎的鰭線夾縫結構，有效抑制了夾縫能量泄露。經加工測試，在50～56 GHz頻帶內插損小于2.3 dB，隔離度大于50 dB，驗證了上述措施的有效性。該開關模塊結構簡單，隔離度高，易于加工，并可根據工作頻帶、開關性能等實際要求進行快速靈活的設計。目前，該模塊已應用于5 mm射頻組件中。

參考文獻：

[1] 薛良金.毫米波工程基礎[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004.

XUE Liang-jin.Microwave Engineering Fundamentals[M].Harbin:Harbin Industry University Press,2004.(in Chinese)

[2] 黃香馥，陳天麒，張開智.微波固體電路[M].成都：成都電訊工程學院出版社，1988.

HUANG Xiang-fu,CHEN Tian-lin,ZHANG Kai-zhi. Microwave Solid State Circuit [M].Chengdu:Chengdu Telecommunication Engineering Institute Press,1988.(in Chinese)

[3] 鄒涌泉，甘體國. 毫米波寬帶鰭線PIN管開關[J]. 電訊技術，2000, 40(1):8-11.

ZOU Yong-quan,GAN Ti-guo.MMW wide band fin-line PIN switch[J].Telecommunication Engineering,2000,40(1):8-11.(in Chinese)

[4] 徐銳敏，謝俊，延波，等. 一種新穎的鰭線單刀雙擲開關[J]. 紅外與毫米波學報，2001，4(8):301-303.

XU Rui-min,XIE Jun,YAN Bo,et al.A Novel Finline SPDT Switch[J].Journal of Infrared and Millimeter Waves,2001,20(4):301-303. (in Chinese)

[5] 徐銳敏, 李大偉. 提高鰭線電路隔離度的幾種措施[J]. 通信學報，1994,6(11):118-120.

XU Rui-min,LI Da-wei.Several Measurements of Improving the Isolation in the Fin-line Circuits[J].Journal on Communications,1994,15(6):118-120.(in Chinese)

[6] Inder Bahl, Prakash Bhartia.Microwave Solid State Circuit Design[M].2nd ed.New York:Wiley,1988.

[7] 《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路[M].北京：國防工業出版社,1995.

Editorial Board of Chinese IC Collection.Microwave Integrated Circuits[M].Beijing:National Defense Industry Press,1995.(in Chinese)