基于PIN管的宽带高隔离度开关的设计与仿真

唐 正 吕晓蕊

(1.湖北交通职业技术学院 武汉 430079)(2.武汉铁路职业技术学院 武汉 430205)

基于PIN管的宽带高隔离度开关的设计与仿真

唐 正1吕晓蕊2

(1.湖北交通职业技术学院 武汉 430079)(2.武汉铁路职业技术学院 武汉 430205)

在射频电路中, PIN管广泛地用作射频开关。论文设计了一款新型的宽带高隔离度收发开关电路,该单刀双掷开关(SPDT)工作频率为50MHz～2GHz,发射机到接收机端口隔离度在30dB以上。通过电路仿真对比,新型的SPDT开关的射频性能得到明显提高,能够适应无线系统对SPDT开关的要求。

PIN管; SPDT; 射频开关; ADS仿真

Class Number TN385

1 引言

PIN管作为射频开关,越来越广泛地应用在射频电路中[1～2]。在时分复用的收发系统中,单刀双掷开关(SPDT)可以将天线、发射链路以及接收链路按时序连接并保护起来。特别是雷达系统,发射机功率越来越大,接收机灵敏度越来越低。为了追求高灵敏度方案,第一级低噪声放大器噪声系数越做越小。但是,低噪声放大器的噪声性能和最大输入功率性能是一对相互矛盾的值,为了保护低噪声放大器不被发射机的大功率损坏,系统对收发开关的隔离度要求越来越高[3]。

本文设计了一种新型的宽带高隔离度收发开关电路,SPDT工作频率范围50MHz～2000MHz,发射机到接收机端口隔离度在30dB以上。

2 电路基本原理

图1 PIN管正向偏置模型

图2 PIN管反向偏置模型

PIN二级管对射频信号的开关控制是通过改变PIN二级管偏置电压来实现[4]。当PIN管正向偏置时,PIN管导通(模型如图1),PIN管等效为电感L串联电阻Rs的电路,Rs是导通电阻,阻抗在1Ω以下,L是PIN管管脚的等效电感,电感值在几个nH以内；当PIN管反向偏置时,PIN管截止(模型如图2),此时PIN管等效为一组Rp和Ct并联后再串联电感L的电路,Rp是截止电阻,阻值趋近于无穷大,Ct是结电容,容值在几个pF以内[5]。正向导通时,Rs的值决定了PIN管的插损；反向截止时,Ct的值决定了PIN管的隔离度。

单刀单置射频开关有三种形式,分别是：串联型、并联型[6]和串并型(如图3)。三种形式的开关的性能指标见表1。由表1知,串并型的开关的隔离度是最大的。

图3 单刀单置开关形式

类型隔离度(dB)插损(dB)串联单刀单置开关10log101+Xc2Z()2[]20log101+Rs2Z[]并联单刀单置开关20log101+Z2Rs[]10log101+Z2Xc()2[]串并型单刀单置开关10log101+z2Rs()2[+Xc2Z()21+ZRs()2]10log101+z2Rs()2[+Z+Rs2Xc()2]

在时分无线系统的应用中,天线要在发射机与接收机间切换,两条链路按时序交替工作,可以通过单刀双掷的射频开关来实现,典型的单刀双掷开关电路[7]如图4。

图4 传统单刀双掷开关电路

图4电路中,两个PIN管同时偏置,在发射机工作时,D1和D2同时正向偏置,此时D1将发射机与天线口联系起来,D2此时也导通,它将接收机链路短路,由于发射机和接收机在链路中是并联形式,为了使发射链路交流阻抗不受D2短路影响,在天线与D2之间需串联一条1/4λ传输线,传输线的作用是阻抗变化,将0Ω的射频阻抗变化到无穷大[8],从节点J往接收链路方向看去,交流阻抗达到无穷大,直流阻抗不发生改变,信号从发射机流向天线,不会到达接收机。接收机工作时,D1和D2截止,天线口信号只能传递给接收链路。

3 一种宽带高隔离度SPDT开关仿真设计

宽带高隔离度SPDT开关的基本原理与传统SPDT开关基本相同,为了得到更高的隔离度和更宽的带宽,新的开关电路(如图5)在电路节点J与1/4λ线间串联一个PIN管D3,并去掉1/4λ线。新的电路可以改善传统SPDT开关的一些不足：第一,串联一级PIN管D3可以提升隔离度20dB；第二,在传统的SPDT开关电路中,当偏离中心频率较多时,D2的短路效应会逐步显现出来,从而影响到发射机阻抗,增加D3,去掉1/4λ线后可以展宽开关电路的频率响应范围。

图5 高隔离度改善型SPDT电路

现在将两种SPDT电路的射频性能进行比较,所选PIN管为SMP1322-079,其主要参数[9]为Rs为0.6Ω,Ls为0.7nH,Ct为1pF。SMP1322-079有ADS模型,分别对图4和图5中电路进行ADS仿真[10],其中S(2,1)是发射机到天线口的传输系数,即插损；S(3,1)是发射链路到接收链路的传输函数,即隔离度。仿真结果如图6、图7所示。

图6 传统SPDT开关射频性能

图7 改善型SPDT开关射频性能

从仿真结果可以看出,传统的SPDT开关的工作带宽窄,隔离度差,S(2,1)的3dB带宽为1.34GHz,且带内的隔离度不理想,隔离度随频率升高恶化明显,高频隔离度大于-12dB。改善型SPDT开关射频性能明显提高,在50MHz～2GHz频带内,发射机到天线端口的差损最大只有-0.012dB；全频段的隔离度小于-30dB,当频率低于1.2GHz时,隔离度小于-40dB。

4 结语

本文详细分析了PIN二极管在射频开关中的应用,并设计了一款基于SMP1322-079,工作频率为50MHz～2GHz的宽带高隔离度低损耗SPDT开关。通过电路仿真对比,新型的SPDT开关的射频性能明显得到提高,能够适应无线系统对SPDT开关的要求。

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Design and Simulation of Wide-band and High-isolation Switch Based on PIN Tube

TANG Zheng1LV Xiaorui2

(1. Hubei Communication Technical College, Wuhan 430079) (2. Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430205)

PIN diode is widely used as RF switch in RF circuit. This paper introduces the design of a new type of wide-band and high-isolation switch circuit, the frequency of this SPDT is 50MHz～2GHz, the isolation from transmitter to receiver is more than 30dB. By the comparison of simulation, the RF performance of the new type of SPDT switch is obviously improved, which can meet the requirements of the wireless system for SPDT switches.

PIN diode, SPDT, RF switch, ADS simulation

2016年7月12日,

2016年8月21日

唐正,男,硕士研究生,工程师,研究方向:射频电路设计。吕晓蕊,女,硕士研究生,讲师,研究方向:通信抗干扰技术。

TN385

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.039