多扇区天线阵列中的微带开关设计与实现

雷 昕，冯 狄，韩仲华，徐海川

(中国电子科技集团公司第15研究所，北京 100083)

0 引言

作为无线网络物理层技术的主要研究方向之一，天线技术是目前的热点研究领域，特别是具备自适应调整天线方向图能力的智能天线技术受到广泛关注。智能天线采用空分复用技术，利用信号在传播方向上的差别，实现同频率同时隙的信号无干扰并行传输，从而大大扩展通信系统容量;此外，智能天线动态调整的定向波束可以抑制同频干扰，提高信噪比和链路增益，从而增大系统覆盖距离并提升链路吞吐量。

波束切换天线作为智能天线的一种实现形态，和自适应天线阵相比，具备计算量少，性价比高，结构简单，易于实现等优点，在一些专用通信系统中已得到采用并取得了良好效果，本文涉及的多扇区天线阵列就是一种波束切换天线。波束切换天线的硬件基础支撑平台主要包括切换电路组件和天线组件，其中切换电路组件是实现波束切换功能的关键部分，负责将信号在多天线扇区之间进行分配。其主要形式为射频微波开关电路，在射频开关电路的多种形态中，微带线与PIN二级管构成的开关电路具备性能高、成本低和结构紧凑等优点，特别适合应用于中低功率射频电路。

结合波束切换天线概念，提出了一种应用于多扇区天线阵列的单刀八掷射频开关电路，工作在5.7～5.9 GHz频段，多扇区天线阵列共包括8个扇区，每个扇区天线水平面波束覆盖范围为45°，信号通过单刀八掷射频开关电路在各扇区天线间进行动态切换，从而实现360°水平全向覆盖。单刀八掷微带开关由微带线和PIN二极管构成，通过采用ADS Momentum电磁场仿真工具进行仿真及实际生产并进行测试，结果表明，所设计的单刀八掷微带开关的插入损耗、隔离度和驻波比等关键性能指标均达到设计要求。

1 基本理论

PIN二极管是微波开关中应用最普遍，其结构是在重掺杂的P区和N区中间夹一层宽度较大的不掺杂的本征区，本征区也称为I区。PIN二极管的直流伏安特性和普通PN结二极管是一样的，但是在微波频率的特性却有很大差别。PIN二极管不具有一般二极管的单向导电性和整流效应，其微波阻抗主要取决于直流偏置的极性和大小，与微波信号的幅度几乎无关。PIN二极管在正向偏置时对微波信号只呈现为一个线性电阻，此阻值由直流偏置决定，正偏置时阻值小，接近短路;反向偏置时阻值很大，接近开路。总之，PIN二极管对微波信号不产生非线性整流作用，其微波阻抗只取决于直流偏置特性，这是PIN二极管和普通二极管的根本区别［1～3］。

带封装的PIN二极管正向偏置和反向偏置时的等效电路，如图1所示，Ls为引线电感，Cp为管壳电容，Rf为正向电阻，Cj为反向电容，Rj为反向电阻，其中Rf≈Rj。

图1 正向偏置与反向偏置等效电路

PIN二极管在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻Rf表示，反向状态可以用反向串联电阻Rj和I层容抗jXj串联表示。由于Rj≪ Xj，故反向状态可近似以jXj表示，正反两种状态下阻抗的比值Xc/Rf称为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。欲使开关的性能优良，必须尽可能提高开关比，即应尽量减小 C 值和 Rf值［4～6］。

封装寄生参量对开关性能会引起不利影响。串联电感Ls增加了正向阻抗，并联电容Cp则减小了反向阻抗，使开关比降低。可附加调谐元件，使正向时得到串联谐振，反向时并联谐振，因而得到高的开关比。当开关比相同，而二极管正反向阻抗相对于传输线特性阻抗稍大时，宜于做成串联结构;而相对于传输线特性阻抗较小时，宜于做成并联结构。并联PIN二极管结构如图2所示。

图2 并联PIN二极管结构

当二极管并联在传输线上，其归一化导纳为y=g－jb时，则其插入损耗

当多个PIN二极管级联时，为了使总插入损耗最低，PIN二极管间距应满足式(3)

式中，b为二极管截止时归一化电纳;l为PIN二极管间距。

当多个PIN二极管级联时，为了使总隔离度最高，PIN二极管间距应满足下式

式中，b为二极管导通时归一化电纳;e为PIN二极管间距。

如果二极管正向电抗为零，反向电抗为无限大，处于此理想情况时，取l=λ/4，可同时满足开关理想通断(最小插入损耗和最大隔离度)条件。但实际上PIN管的正反向电抗不可能是理想的，如果l根据开关导通时的最小插入损耗条件选择则必和开关截断时的最大隔离度条件矛盾。因此必须兼顾进行选择。

如果间距l和二极管归一化电抗x均按照开关断开时最大隔离度条件选取，则根据推导结果，此时的总衰减值比单个二极管的隔离度的N倍(N为级连二极管的个数)还要大一个附加值，即总的最大衰减Am为

式中，A1为单管的隔离度，Axn为附加衰减，与A1及二极管的个数有关。

2 单刀八掷微带开关设计

所设计的单刀八掷微带开关应用于多扇区天线阵列，以实现波束切换功能。对其主要功能指标要求为:端口驻波比小于2，插入损耗小于3 dB，同侧隔离度大于25 dB，异侧隔离度大于40 dB。

在设计单刀八掷微带开关时，首先需要进行的是PIN二极管的选型，根据PIN二极管开关基本理论，为了提高开关的性能，需要选择开关比较高的PIN二极管，即PIN二极管需要具备较小的正向电阻Rf和反向电容C。此外，由于封装的寄生参量会对开关的性能产生不利的影响，因此需要选择封装引线电感Ls和管壳电容Cp较小的PIN二极管，以尽可能提高PIN二极管的开关比。设计中选择的PIN二极管参数如下:正向电阻Rf=2Ω，反向电容C=0.2 pF，引线电感 Ls=0.7 nH。

在传输功率不大且散热良好的情况下，PIN二极管开关采用的电路结构主要取决于二极管正反向阻抗与传输线特性阻抗的关系。当二极管正反向阻抗相对于传输线特性阻抗稍大时，宜于做成串联结构;而相对于传输线特性阻抗较小时，宜于做成并联结构。根据设计选取PIN二极管的特征参数，可以算出正向阻抗约为2+25.5j，反向阻抗约为2 －111.8j，设计中微带线特性阻抗为50 Ω，正反向阻抗相对于微带线特性阻抗较小，因此PIN二极管电路采用并联结构。

根据并联结构单级PIN二极管插入损耗与隔离度的计算公式，将所选取PIN二极管的特征参数代入，可以算得单级并联结构PIN二极管插入损耗约为0.14 dB，隔离度为22.6 dB。考虑到PIN二极管封装寄生参量的影响，单级开关插入损耗和隔离度实际性能均会比理论计算值有所恶化，为了满足设计指标，采用三级PIN二极管并联结构。

最终单刀八掷微带开关结构示意图和实际电路，如图3所示，根据多扇区天线阵列整体要求，电路布局采用对称结构，首先从中心端口通过一级PIN二极管分为两侧，每一侧再进一步分为四路，每路又包含两级PIN二极管，间距为λ/4。对于某一通路，与其异侧的四条支路包含三级PIN二极管，理论上隔离度应大于3×22=66 dB，而与其同侧的三条支路包含两级PIN二极管，理论上隔离度应大于2×22=44 dB。在每个PIN二级管处均有一段调谐枝节线，用以对PIN二极管的封装寄生参量进行调节。

图3 结构示意图与实际电路

3 仿真与测量

采用ADS Momentum电磁场仿真平台对设计的单刀八掷微带开关进行仿真与调节，其中PIN二极管模型采用厂商提供的S2P模型。端口回波损耗、通路插入损耗、异侧四条支路隔离度、同侧三条支路隔离度仿真结果，如图4所示。

图4 仿真结果

从仿真结果可以看到，所设计的单刀八掷微带开关在5.7～5.9 GHz工作频段上的端口回波损耗均大于10 dB，通路插入损耗均小于2 dB，同侧三条支路隔离度均大于25 dB，异侧四条支路隔离度均大于40 dB，满足设计指标要求。

为了进一步验证单刀八掷微带开关性能，制作了样板并利用网络分析仪进行了端口回波损耗、通路插入损耗和隔离度等性能指标测试。在测试时对PIN二极管调谐枝节线进行了调节，从而对插入损耗和隔离度性能进行优化。端口回波损耗、通路插入损耗、异侧四条支路隔离度、同侧三条支路隔离度实测结果，如图5所示。

图5 实测结果

从实测结果可以看到，所设计的单刀八掷微带开关在5.7～5.9 GHz工作频段上的端口回波损耗均大于10 dB，通路插入损耗均小于3 dB，同侧三条支路隔离度约为40 dB，异侧四条支路隔离度约为60 dB，和仿真结果基本吻合并满足设计要求。

4 结语

结合波束切换天线概念，提出了一种应用于多扇区天线阵列的单刀八掷射频开关电路，工作在5.7～5.9 GHz频段，多扇区天线阵列共包括8个扇区，每个扇区天线水平面波束覆盖范围为45°，信号通过单刀八掷射频开关电路在各扇区天线间进行动态切换，从而实现360°水平全向覆盖。单刀八掷微带开关由微带线和PIN二极管构成，通过采用ADS Momentum电磁场仿真工具进行仿真及实际生产并进行测试，结果表明设计的单刀八掷微带开关的插入损耗、隔离度和驻波比等关键性能指标均达到设计要求。

［1］清华大学《微带电路》编写组.微带电路［M］.北京:人民邮电出版社，1976.

［2］莫家铭.PIN管的微波特性及其应用［J］.现代雷达，1985(4):1-4.

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