一种宽带大功率单刀双掷开关的国产化设计

袁琼琨　汪仁波

摘要：本文在传统并联开关的公共端引入阻抗匹配网络，结合电磁仿真，研制出一种新型的宽带大功率单刀双掷开关。开关的有效带宽从8GHz拓宽到12GHz。通过基于大功率开关失效模式和失效机理的热分析和最小反向偏压分析，给出了既安全又经济的大功率开关设计方案。当反向偏压从4V提高到12V时，开关耐受功率从连续波1.8W提高到10.15W。设计选用国产芯片，实现了元器件的自主可控。研制出的宽带大功率开关在6GHZ～18GHz内小信号下插入损耗小于1.3dB，施加连续波功率10W时插入损耗小于1.5dB。

关键词：宽带;大功率;单刀双掷;PIN开关;国产化

中图分类号：TN312+.4;TN710.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0127-04

0 引言

近年来，半导体功放技术和功率合成技术迅猛发展，雷达通讯系统的输出功率不断提高。作为微波系统中的常用控制器件，开关所需承受的功率也不断提高。大功率开关通常有3种结构：机械开关、铁氧体开关和PIN开关。机械开关、铁氧体开关虽然承受功率较高，但其切换速度慢、使用寿命有限。而PIN开关的优势在于开关次数不受限制，开关速度更快，因而在高速、高可靠的大功率微波系统中发挥了不可替代的作用[1-3]。同时，随着超宽带通信的普及，无线通信系统对宽频带、大功率、低损耗PIN开关的需求越来越迫切[4-6]。

长期以来，以美国为首的西方国家形成联盟，对我国实行严格的禁运政策。随着中美贸易战的加剧，进口电子元器件的供应更难以保障，加之在安全隐患、质量风险等方面的诸多问题，因此，实现关键元器件的自主可控，已然成为一项构筑国家信息安全、保卫国家独立外交能力的紧迫而艰巨的任务。PIN开关的关键元器件是PIN二极管，经过几十年的攻关，目前，国产管芯的门类已逐步齐全，大多数进口管芯都能找到国产化替代型号。虽然部分国产型号管芯的性能参数较进口芯片还有差距，但可以从电路的整体设计上加以弥补，最终达到工程所需的性能指标。

本文在传统并联开关的公共端引入一种阻抗匹配网络，配合设计软件优化，大大改善了其带宽特性。进一步分析了大功率开关的失效模式和失效机理，优化了开关的功率设计。对比了国产元器件与进口元器件的主要参数，优选国产元器件，实现了宽带大功率单刀双掷开关的国产化设计。

1 电路分析与设计

1.1 电路结构设计

PIN开关中的核心元器件是PIN二极管[7]，通常由硅或砷化镓材料制备，具有以直流低电流低电压控制大功率的特性。PIN管的结构是在两层重参杂的P+和N+层中夹一层本征层I层。PIN管的射频特性主要由I层载流子浓度确定。当PIN管正偏时，I区载流子浓度高，PIN管可等效为小电阻;当PIN管反偏时，I区载流子浓度低，PIN管可等效为电容。

按照PIN管的联接方式，开关电路的基本结构可以分成3大类：串联结构、并联结构和串并联结构[8]。

全串联结构开关是PIN管芯均以串联的方式装配于微波电路中，如图1所示。当偏置1加高电平，偏置2加低电平时，PIN管D1正偏，等效为小电阻，呈现导通状态;PIN管D2反偏，等效为电容，呈现隔离状态;射频信号从公共端口到端口1传输，端口2处于隔离状态。串联电路结构的优点是不受波长影响，所以电路带宽比较宽。缺点是通路上有PIN管芯正向电阻的存在，导致损耗相对较大。同时，串联结构管芯装配在电路板上，不易于散热，因此不适用于有大功率的场合。

并联结构开关是PIN管芯均以并联的方式装配于微波电路中，如图2所示。当偏置1加高电平，偏置2加低电平时，PIN管D1正偏，等效为小电阻，对地接近短路，经过1/4波长传输线后转变成开路状态;PIN管D2反偏，等效为电容，对地接近开路，经过1/4波长传输线后转变成短路状态;射频信号从公共端口到端口2传输，端口1处于隔离状态。由于传输线通路没有开关元器件，因而可以获得较小的插入损耗。同时，由于管芯直接到地，易于散热，所以适合于大功率的场合。但是，并联电路受波长影响大，随着频率的改变，1/4波长传输线的电长度也会跟着改变，从而引起阻抗失配，直接影响了带宽特性。

串并联电路采用了PIN管芯串、并联混合电路方式，如图3所示。当偏置1加高电平，偏置2加低电平时，PIN管D3反偏，等效为电容，呈现隔离状态;PIN管D1正偏，等效为小电阻，对地接近短路，进一步起到隔离作用。PIN管D4正偏，等效为小电阻，呈现导通状态;PIN管D2反偏，等效为电容，对地接近开路。射频信号从公共端口到端口2传输，端口1处于隔离状态。串并联电路比串联电路可以实现更高的隔离，比并联电路可以实现更宽的带宽。但是由于电路中有串联管芯，不适用于有大功率的场合。

由以上分析可知，大功率开关一般会采用全并联结构。为了克服传统并联式开关带宽窄的缺陷，文中给出了一种改进型的单刀双掷并联开关设计。改进型的开关在传统并联开关的公共端引入一种阻抗匹配网络，配合设计软件优化，带宽特性得以改善。如圖4所示，在原来的并联二极管电路中插入3端1/4波长低阻抗传输线。

1.2 功率设计

在进行大功率开关设计时，通过热设计和反压设计，可以避免以下几种功率故障模式的发生，有效地提高开关的功率容量。

1.2.1 热烧毁

大功率射频信号下，PIN管的热烧毁通常发生在PIN管正偏时。此时，等效电阻在射频电流的作用下产生热耗散，当达到一定温度时，硅与金的接触面形成金硅丝状导电合金体，并迅速生长，直至穿透I区，PIN管便永久失效。

为避免热烧毁的发生，通常的设计准则是PIN管最高温度低于管芯结温（硅PIN二极管结温通常是175）。

PIN管在大功率射频信号下的管芯温度可由如下公式算得：

（1）

（2）

其中，是管芯温度，是管芯热阻，是环境温度，是管芯耗散功率，是管芯结电阻，是特征阻抗，是输入射频信号平均功率。

1.2.2 反向击穿

大功率射频信号下，在PIN管反偏时，三种可能的工作状态，如图5所示。图中，为二极管反向击穿电压，为反向偏置电压，为射频峰值功率。

在图5（a）所示工作状态下，，。该工作状态下PIN管在任意时刻均能保持反向偏置状态，理论上说这是最安全可靠的工作状态。但是，这种工作状态要求偏置电压大于射频峰值电压。在实际的大功率应用中，意味着几百伏甚至上千伏的偏压，这是不切实际的。

在图5（b）所示工作状态下，。由电场造成的I区碰撞电离将导致PIN管的反向击穿，使得PIN管无法正常工作，因而这是不安全的工作状态。为了避免在该状态工作，应选择二极管反向击穿电压较大的二极管。

1.2.3 注入模式

在图5（c）所示工作状态下，，。在正半周射频信号作用下，PIN管进入正偏状态，两端电子和空穴流入I区;如果在接下来负半周期，反向偏置电压过小，无法把这些电荷清空，那么在下一个周期这些移动的载流子会受到强射频电场的加速;当载流子能量足以冲击I区晶格中硅原子，把价带中电子激发到导带产生电子-空穴对，将导致PIN管芯无法正常工作。可见，在这种情况下，为避免PIN管的注入损坏，反向偏置电压的选取非常关键。实验表明，PIN管工作所需的最小反偏电压数值等于PIN管在此功率下零偏时建立的直流电压。对于硅二极管，最小反偏电压的计算公式如下[1]：

（3）

其中，                          （4）

式中，fMHZ为微波工作频率，D为占空比，Wmil为PIN管I层厚度，为最小反偏电压，为射频峰值功率，是特征阻抗，是输入射频信号平均功率，为端口驻波。从公式（3）可以看到，工作频率越低，需要反压越高。I层厚度越小，需要反压越高。为了降低对反压的需求，从而降低经济成本，应选择I层较厚的二极管。

2 实际电路设计与测量结果

采用本文中涉及的理论，对宽带大功率单刀双掷开关进行了设计。开关要求工作频率6-18GHz，承受连续波功率10W，工作温度-40℃～+70℃。

2.1 电路结构和器件选择

在实际电路设计中，为了得到更宽的带宽特性，采用图4的改进型的并联电路拓扑结构。设计成在同一芯片槽位置并联两个PIN管的形式（如图6所示），这样，既能提高功率容量，在10W射频信号输入条件下，每个管芯只需承受5W的功率;又能保证大功率下的开关反应时间。经过仿真优化，支路1和支路2特征阻抗选取30Ω，公共特征阻抗选取35Ω，电路输入输出设计基于50Ω系统，电路板采用介电常数=2.16的，厚度为0.254mm。综合考虑开关电特性、耐功率及国产化需求，PIN管芯选择南京电子器件研究所的自研芯片WPX0041，表1将WPX0041与Skyworks公司进口芯片APD0805的主要参数进行了对比，可以看到，两款芯片参数相当接近，而且国产WPX0041管芯的结电容和瞬态热阻较小，因而在电性能和耐热方面都比进口管芯要更胜一筹。

2.2 热设计

管芯正偏工作时的耗散功率由公式（1）计算得：

。

在工作温度+70℃下，由公式（2）可知管芯温度 =99℃，小于175℃结温，不会发生热烧毁故障。

2.3 反向工作状态和反向偏压的确定

管芯反偏时，为避免反向击穿和注入模式故障的发生，应使其工作在图1（c）工作状态下，即，，且反向偏置电压大于由公式（3）确定的最小反偏电压。

通过公式（3），可以计算出开关承受连续波10W所需的最小反偏电压，结果见表2。可以看出，频率越低，所需反压越高。表3进一步计算了不同反压下可承受的最大功率。可以看到，当反压从4V提高到12V时，开关耐受功率从1.8W提高到10.15W。

在實际应用中，为保证开关正常工作，选择12V作为开关反向偏置电压，即。连续波功率10W下，由公式（4），得，，而由表1可知，满足，，因此开关可以稳定工作在图5（c）状态下。

2.4 测量结果

按照本文的设计，装配了开关小模块，实物图见图7。在6GHz-18GHz频率范围内，电路仿真数据见图8，小信号实测结果见图9。从图8可以看到，传统结构仅在频率9GHz-17GHz的8GHz带宽内性能较好。而采用改进型结构的开关带宽特性得到明显改善，在频率6GHz-18GHz的12GHz带宽内损耗都小于1.3dB，有效带宽展宽了4dB。实测开关损耗小于1.3dB，驻波小于1.5，隔离度大于25dB，开关时间小于100ns，完全满足工程应用需求。

对该单刀双掷开关进行了功率实验，输入功率10W，监测开关输出功率，测试数据见表4。可以看到，开关大功率损耗仅比小信号情况下增加0.2～0.3dB，这个结果完全满足工程的需求。

3 结语

文中给出的改进型单刀双掷并联开关克服了传统并联式开关带宽窄的缺陷，具有带宽大、插损小、隔离度高、承受功率大等优势，在超宽带相控阵天线中得到广泛应用。开关选用元器件实现国产化，对中美贸易摩擦背景下半导体产业自主可控发展具有积极意义。

参考文献

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[8] 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，1975.

Domestic Design of a Broadband High-power SPDT Switch

YUAN Qiong-kun，WANG Ren-bo

（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing Jiangsu  210016）

Abstract：In this paper， a broadband high-power SPDT switch is developed by adding a pair of matching sections to the common node of the conventional shunt switch. Effective bandwidth is broadening from 8 GHz to 12GHz. A reliable and economical solution is further proposed for the high power switch by the thermal design and the minimum reverse bias establishing based on the high-power failure mechanisms. The continuous power capacity of the switch can be increased from 1.8W to 10.15W by increasing the reverse bias from 4V to 12V. Domestic chips are applied to realize the self-control of components. The measured insertion loss of the switch at small signals is less than 1.3dB at 6to 18 GHz， and less than 1.5dB with the continuous power of 10W applied.

Key words：broadband;high-power;SPDT;PIN switch;Domestic