一種吸收式單刀單擲開關的設計

戴林華

（上海華湘計算機通訊工程有限公司，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、設計靈活性高、可靠性高以及成本低等優點。

本文闡述了PIN管的結構和特性，對利用PIN管設計開關的常用結構進行了研究，著重對采用串并聯結構的設計方法進行了討論，并給出了相應的實驗結果。

1 PIN管

PIN管的結構如圖1所示，是在重摻雜的P區和N區中間夾一層本征層（即I層）。在開關的正常工作中，PIN管芯通常有兩種工作狀態：當它處于正向偏置時，P層的空穴和N層的電子分別注入I層，形成一個高電導率區，接近于短路；當它處于反向偏置時，I層載流子被清空，形成高電阻率區，接近于開路[1]。在直流電控制下，PIN管的阻抗隨I區載流子數目的變化而發生變化，以此來實現對微波信號的控制。

圖1 PIN管的結構

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

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

圖2 PIN管芯的等效電路

當PIN管正向偏置和高頻工作時，擴散電容Cd將變大并把結參數短路，電荷載流子將注入I區，因此Ri=Ci網絡僅可由Ri來表示，RS為正向偏置情況下的總串聯電阻。此時，PIN管的阻抗主要由RS決定。由于RS的值很小，相當于電路導通，也就相當于開關的“開”狀態。

當PIN管反向偏置時，擴散電容Cd消失，結電阻Ri變得極大，只有Ci在結網絡中是重要的，I區足以被完全耗盡，則Ri=Ci網絡將消失。RS為反向偏置情況下的總串聯電阻，與偏置電流成正比，與頻率成反比。在很多射頻電路應用中，其電阻值遠高于Cj產生的阻抗。在射頻情況下，Cj產生的阻抗很高，串聯在射頻電路中起斷開或絕緣作用，這就相當于開關的“關”狀態。

2 PIN管開關的拓撲結構

多數PIN管開關拓撲結構為反射式，也就是說，當它們處于隔離狀態時，對所連接的傳輸線路呈現射頻開路或射頻短路。而吸收式PIN管開關拓撲結構始終對其系統呈現很小的回波損耗，這種結構可以實現，但相比反射式電路稍復雜一些[3]。PIN開關從電路的實現方式上可以分成并聯結構和串聯結構。

并聯結構的PIN開關電路如圖3所示，單刀單擲PIN開關中，當PIN管反向偏置時，開關的插入損耗由PIN管的電容電抗決定；當PIN管正向偏置時，隔離度由PIN管的串聯電阻決定[4]。

圖3 并聯結構的電路

其中，并聯結構的PIN開關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管的結電容，f為中心頻率，Z0為特性阻抗。

并聯結構開關的隔離度主要由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]。從隔離度的角度應選取低正向電阻的PIN管，從插損角度應選取低結電容的PIN管。

串聯結構的PIN開關電路如圖4所示，單刀單擲PIN管開關中，當PIN管正向偏置時，開關的插入損耗有PIN管的串聯電阻決定；當PIN管反向偏置時，開關的隔離度由PIN管的電容電抗決定[6]。

圖4 串聯結構的電路

串聯結構PIN開關的插損和隔離度估算的公式分別為：

串聯開關的隔離度由結電容決定，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拓撲結構以及開關所使用的PIN管特性。對于單刀多擲開關的并聯結構可以實現低損耗、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，關斷支路相當于1/4波長的短路線，而這個結構決定了全并聯開關的帶通特性。全串聯單刀多擲開關中，對于開通支路而言，關斷支路相當于開路線，這一結構可以實現理論上的無限寬帶，但是受串聯所用PIN管電參數的限制，其正向電阻通常較大，導致全串聯結構的插損相對較大[7-9]。綜合上述兩種電路的優點，串并聯結構的電路是寬帶多擲開關的最佳選擇。

串并聯結構的PIN開關電路如圖5所示。開關的插入損耗由正向偏置的串聯PIN管的串聯電阻和反向偏置的并聯PIN管的電容電抗共同決定，隔離度由反向偏置的串聯PIN管的電容電抗和正向偏置的并聯PIN管的電阻共同決定。該開關的拓撲結構可以比任一單二極管拓撲結構產生更大的隔離度。

圖5 串并聯結構的電路

3 PIN管的吸收式單刀單擲開關的設計

采用串并聯結構的電路形式，將微帶板及二極管（裸管）通過導電膠粘接到盒體相應的位置，隔直電容、PIN二極管與微帶線的連接則通過超聲波壓焊機來壓金絲來實現連接，電感是采用恒溫電絡鐵在顯微鏡下直接焊接[10]。最終實現的裝配如圖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 設計結果

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

圖7 駐波和損耗的測試曲線

圖8 關斷駐波和隔離度的測試曲線

5 結 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，其插入損耗≤2.5 dB、隔離度≥80 dB、駐波≤1.5、開關時間≤1 μs。本次開發的開關與現有開關相比更加穩定、可靠且加工方便，宜于進行批量生產，同時還可以廣泛應用于其他控制電路的設計中。