一种宽带大功率单刀双掷开关的国产化设计分析

于春永 袁正昊

（扬州海科电子科技有限公司，江苏 扬州225000）

1 研发背景简述

近年来,随着科学技术的发展，在半导体功放及功率合成技术取得了巨大的进步，极大地提高了雷达通讯系统输出的功率。最为该系统中常用控制器件的开关，随着输出功率的增大，其所承受的功率也随之增大。此外，随着超宽带通信技术的发展与普及应用，无线通讯系统对于宽频带、大功率、低损耗的PIN 开关需求越来越迫切。但目前我国市面上的PIN 开关，其原件大都是进口货，长期以来受美国为首的西方阵营国家的禁运，如1949 年成立的巴统协会，以及在1994 年巴统协会解散后形成的瓦森纳决议，都是西方对我国技术封锁的重要形式。而且，近年来，随着中美贸易战的开启，电子元件的进口更是难以保障，而且，当前进口的电子元器件不仅存在着质量风险，还存在着安全隐患，不利于我国的国家安全建设。基于此，实现宽带大功率单刀双掷开关的国产化设计就变得极为迫切。

2 宽带大功率单刀双掷开关简介

单刀双掷开关是一种由动端与不动端组成的开关，其中的动端就是所谓的“刀”，连接着电源的进线，同时也是与开关手柄相连的一端；而与其相连的另外的两端就是电源输出的两端，也就是所谓的不动端，是链接用电设备的端口。在实际运用中，单刀双掷开关可以控制电源向两个不同的方向进行输出，换句话说，就是能控制两台不同的设备，或者控制一台设备转换运转的方向。

目前，应用在市面上的大功率单刀双掷开关一般分为3 种结构：机械开关、铁氧体开关与PIN 开关。其中，机械开关和铁氧体开关承受的功率较高，但这两种开关切换的速度较慢，而且其使用的寿命也较为有限。而PIN 开关则不然，其开关切换的速度较快，而且开关的次数不受限制，因此具有极大的优势，在当前的通信系统中发挥着巨大的作用。

3 PIN 宽带大功率单刀双掷开关的国产化设计研究

3.1 PIN 二极管国产化设计

PIN 开关中最关键的元器件就是PIN 二极管，这种管芯基本依靠进口，但一直以来，我国都十分重视该技术的攻关。经过几十年的研发，目前，我国在管芯研发和生产方面已经取得了巨大的突破，门类已经逐步齐全，PIN 开关中的二极管，大部分都可以实现国产化，但仍有部分型号的管芯在性能参数方面，与国外进口管芯的性能具有一定的差异，但这一问题可以从电路整体的设计方面进行优化，从而弥补性能方面的差距，最终促使其达到项目工序所需的性能指标。

在实际设计中，PIN 开关核心的元器件是PIN 二极管，这种二极管大都是由硅或者砷化镓材料制成的，具有以直流低电流、低电压控制及大功率的显著特性。在本设计中，为了保证PIN 开关的性能，特意采用了垂直结构的二极管设计，在进行材料外延生长时，控制P+层和N+层参杂的浓度大于2.5×1018，而夹一层本征层i 层的厚度约为3 ，载流子的浓度接近3×1014。

3.2 单刀双掷开关电路设计

在实际运用中，单刀双掷开关的电路结构通常可分为串联式、并联式以及串并联混合式三种结构。其中串联式与串并联混合式结构中串联的PIN 二极管会使开关电路在小功率的状态下就开始压缩，因此，会影响到大功率运行的效率。因此，在大功率系统中，普遍采用并联式单刀双掷开关的结构，本文的设计也是基于并联电路设计的（见图1）。

图1 宽带大功率单刀双掷开关国产化设计图

根据图1 所示，本设计的宽带大功率单刀双掷开关，包括第一支路、第一电容、第一偏置电路、第二支路、第二电容、第二偏置电路、第一端口、第二端口、第三端口、第一控制端口和第二控制端口。

在本设计中，第一控制端口输出第一控制信号并传输到第一偏置电路，而第一偏置电路分别连接第一支路中的一端和第一电容的第一端，而第一支路的另一端与第二支路的一端连接处就是第三端口；第一电容第二端连接的第一端口，第二支路的另一端分别连接第二偏置电路和第二电容的第一端，第二电容第二端连接处就是第二端口，第二控制端口输出第二控制信号直接到达第二偏置电路。

在第一支路中，主要包括电容C1、电容C2，二极管D1 和二极管D2；其中电容C1 的第一端分别连接电容C2 的第一端、第三端口和第二支路，而其第二端则分别连接第一偏置电路、二极管D1 的正极、二极管D2 的正极、电容C2 的第二端以及第一电容的第一端，而二极管D1 的负极和二极管D2 的负极必须接地处理。

第一偏置电路主要包括电感L1 和电容C7；其中电感L1 的第一端分别连接到第一支路和第一电容的第一端，其第二端分别连接第一控制端口与电容C7 的第一端，而电容C7 的第二端进行接地处理。

第二支路主要包括电容C3 和电容C4 以及二极管D3 与二极管D4，其中电容C3 的第一端要与电容C4 的第一端、第三端口以及第一支路相连接；而其第二端则要连接第二偏置电路、二极管D3 的正极与二极管D4 的正极，而电容C4 的第二端则与第二电容的第一端、二极管D3 的负极以及二极管D4 的负极必须进行接地处理。

第二偏置电路则包括电感L2 和电容C8，其中电感L2 的第一端分别与第二支路与第二电容的第一端相连接；其第二端分别与第二控制端口及电容C8 的第一端相连接，而电容C8 的第二端进行接地处理。

3.3 性能测试结果

完成连接以后，根据本文的设计，装配了开关小模型，然后在6GHz 到18GHz 频率范围之间，对其进行性能测试。根据测试的结果，本设计的宽带大功率单刀双掷开关性能较传统的开关在特性方面得到了明显的改善，在6GHz～18GHz 频率内，小信号下插时的损耗低于1.3dB，驻波小于1.5，开关时间小于100ns，能够满足绝大多数工程的应用需求；自此基础上，又对其进行了功率实验。本实验输入的功率为10w，监测开关输出功率，开关大功率时损耗金币小信号情况下增加0.2～0.3dB，其损耗率完全可以满足大多数工程项目的实际应用需求，由此可见，本设计是成功的，具有较大的使用价值，可以进行推广使用。

4 结论

综上所述，本文对宽带大功率单刀双掷开关进行了国产化的设计，选用的元器件军事国产品牌，并对其进行了一定的优化，改善了传统型号开关带宽窄的缺陷，具有大带宽、插损小、承受功率大的显著优势，能够在超宽带相控阵天线系统设计中得到广泛的应用，对于我国半导体产业电子元器件的国产还具有积极的意义。