一种高频大功率吸收式开关设计

李群春

摘要：本文在8-12GHz的高频大功率吸收式PIN开关的设计、制作中，提出了多种新的措施方法，对于成功研制大功率开关具有重要作用。该开关插入损耗小于1.4dB、驻波比：≤1.3：1、隔离度大于50dB、连续波功率大于800W。具有高功率容量、高频带宽、损耗小的特点，对于高频大功率开关的研制，具有广泛的推广应用价值。

关键词：PIN开关； 吸收式； 功率容量；

中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

在雷达收发等电子系统中大功率的高频开关电路作为控制器件，实现微波信号的通、断或转换，其中基于PIN 二极管的微带型开关电路，因具有耐功率高、响应快、体积小、重量轻等优点而得到广泛应用。本文设计的8-12GHz高频大功率吸收式开关具有承受连续波大功率、高隔离度以及低插入損耗的特点，具有推广应用价值。

1高频大功率开关设计[3-6]

1.1 PIN吸收式开关工作原理

吸收式单刀双掷开关的原理图如图1。K0为输入端，K1、K2为两个输出端，当V1加负压即二极管D1为反偏状态，D1相当于开路，所以从输入端向K1端看，输入阻抗基本为零，信号可以到达K1端口；而V2加正压即二极管D2正偏状态，D2相当于短路，它离输入面的距离为λ/4，所以从输入端向K2端看，输入阻抗无穷大，信号无法到K2端口。加正压时，电阻R2和L2并联然后同D2串联到地，R2为50欧姆，所以从K2端口向D2面看，相当于50欧姆到地，信号基本没有反射，达到吸收设计要求。

1.2高频大功率开关电路性能优化设计

由于8-12GHz开关，大功率、低插损、吸收式的设计要求。本设计首次采用单臂三节全并联结构，最后一节加50欧姆和电感到地，使其在关断状态时为吸收态，而不是全反射。

首次采用三线键合工艺和微带线T型结设计，根据上述条件进行优化仿真键合线长度和弧度、T型结尺寸。试验结果证明三根并行的金丝键合互连比单根或者两根键合线能更好的降低串联电感，其效果更加接近平直简短的单根引线；微带线不连续处采用T型结设计，使之对信号传输的影响大幅降低， 使微波控制电路的高频性能更加优良，相对带宽更宽。这样的电路插入损耗小，驻波系数小 可提供相对较高的隔离度。

建立起电路模型如图2所示。

1.3高频大功率开关散热设计和封装结构优化

高频大功率开关的一个难点就是大功率下的散热和封装耐功率、耐干扰等设计。

首次采用钼铜金属基板高温焊料烧结工艺。选用全并联结构，可以保证所有的二极管管芯都能直接接地，把芯片用高温焊料烧结在基板上，然后把基板烧结在金属封装的腔体内，二极管直接和金属烧结一起，芯片背面直接接地散热，具有散热快的优点，通过热设计优化确定金属基板尺寸和盒体腔体结构，保证了散热的需求，从而能承受较大的功率。

在高频大功率时，盒体的腔体结构可能产生谐振和泄漏，使电路高频插损急剧变差，电磁兼容能力减小等。通过优化设计消除腔体可能引起的谐振，输入输出采用烧结绝缘子方式，保证开关盒体为全密封结构，使其可靠性和电磁兼容能力及耐功率击穿能力大大提高。

2实际结果与分析

实物版图如图4。实际测试的结果如图5在10GHz频率下输入连续波850W信号，保持25min，然后测试指标不变，满足了连续波功率大于800W的设计指标。

从以上测试数据分析可知，由于盒体腔体，键合线等影响，在频率8-12GHz内测试结果比优化指标变差一些，但总体上同设计优化的结果比较一致。

3 结论

本文给出了一种高频大功率吸收式开关设计方法。首次采用三根键合线并行互连和T型结的高频性能设计，并通过仿真对带线和散热金属基片及盒体结构的热设计等进行优化得到良好参数指标。考虑到实物加工时盒体腔内因素，以及键合带线等对产品性能有较大的影响。因此在误差范围内，最终结果显示该设计方法可行并且表现出低插损，低驻波的良好性能，承受功率可以达到连续波800W以上，完全满足设计需求。

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