一种吸收式单刀单掷开关的设计

戴林华

（上海华湘计算机通讯工程有限公司，上海 200233）

0 引 言

近年来，微波控制电路的设计有了很多新的选择，但PIN管依旧是一类常用的控制器件，这主要得益于PIN管具有耐功率较大、设计灵活性高、可靠性高以及成本低等优点。

本文阐述了PIN管的结构和特性，对利用PIN管设计开关的常用结构进行了研究，着重对采用串并联结构的设计方法进行了讨论，并给出了相应的实验结果。

1 PIN管

PIN管的结构如图1所示，是在重掺杂的P区和N区中间夹一层本征层（即I层）。在开关的正常工作中，PIN管芯通常有两种工作状态：当它处于正向偏置时，P层的空穴和N层的电子分别注入I层，形成一个高电导率区，接近于短路；当它处于反向偏置时，I层载流子被清空，形成高电阻率区，接近于开路[1]。在直流电控制下，PIN管的阻抗随I区载流子数目的变化而发生变化，以此来实现对微波信号的控制。

图1 PIN管的结构

PIN管具有宽射频阻抗和低失真的特性，它是设计制造高性能微波开关的关键元器件。目前，用于微波开关设计的PIN管主要有PIN管芯和梁式引线PIN管两大类，它们具有不同的优势。梁式引线PIN管具有更小的结电容，而PIN管芯具有更小的结电阻和更高的功率容量[2]。结合两者的特性和设计需求，本设计主要采用PIN管芯来设计具体电路。

PIN管芯的等效电路如图2所示，其中的LS为引线电感，RS为串联电阻，CP和Cf为管壳电容。

图2 PIN管芯的等效电路

当PIN管正向偏置和高频工作时，扩散电容Cd将变大并把结参数短路，电荷载流子将注入I区，因此Ri=Ci网络仅可由Ri来表示，RS为正向偏置情况下的总串联电阻。此时，PIN管的阻抗主要由RS决定。由于RS的值很小，相当于电路导通，也就相当于开关的“开”状态。

当PIN管反向偏置时，扩散电容Cd消失，结电阻Ri变得极大，只有Ci在结网络中是重要的，I区足以被完全耗尽，则Ri=Ci网络将消失。RS为反向偏置情况下的总串联电阻，与偏置电流成正比，与频率成反比。在很多射频电路应用中，其电阻值远高于Cj产生的阻抗。在射频情况下，Cj产生的阻抗很高，串联在射频电路中起断开或绝缘作用，这就相当于开关的“关”状态。

2 PIN管开关的拓扑结构

多数PIN管开关拓扑结构为反射式，也就是说，当它们处于隔离状态时，对所连接的传输线路呈现射频开路或射频短路。而吸收式PIN管开关拓扑结构始终对其系统呈现很小的回波损耗，这种结构可以实现，但相比反射式电路稍复杂一些[3]。PIN开关从电路的实现方式上可以分成并联结构和串联结构。

并联结构的PIN开关电路如图3所示，单刀单掷PIN开关中，当PIN管反向偏置时，开关的插入损耗由PIN管的电容电抗决定；当PIN管正向偏置时，隔离度由PIN管的串联电阻决定[4]。

图3 并联结构的电路

其中，并联结构的PIN开关插损和隔离度估算公式为：

式中，RS为PIN管的正向电阻，C为PIN管的结电容，f为中心频率，Z0为特性阻抗。

并联结构开关的隔离度主要由PIN管的正向电阻决定，插损主要由PIN管的反向电容决定，并随着频率升高而有所增加[5]。从隔离度的角度应选取低正向电阻的PIN管，从插损角度应选取低结电容的PIN管。

串联结构的PIN开关电路如图4所示，单刀单掷PIN管开关中，当PIN管正向偏置时，开关的插入损耗有PIN管的串联电阻决定；当PIN管反向偏置时，开关的隔离度由PIN管的电容电抗决定[6]。

图4 串联结构的电路

串联结构PIN开关的插损和隔离度估算的公式分别为：

串联开关的隔离度由结电容决定，并随着频率的上升而下降，插损主要由正向电阻决定。

由上述分析可知，插损和隔离度取决于所选的开关拓扑结构以及开关所使用的PIN管特性。对于单刀多掷开关的并联结构可以实现低损耗、高隔离度，但其工作频带无法拓宽，这是由于对开通支路而言，关断支路相当于1/4波长的短路线，而这个结构决定了全并联开关的带通特性。全串联单刀多掷开关中，对于开通支路而言，关断支路相当于开路线，这一结构可以实现理论上的无限宽带，但是受串联所用PIN管电参数的限制，其正向电阻通常较大，导致全串联结构的插损相对较大[7-9]。综合上述两种电路的优点，串并联结构的电路是宽带多掷开关的最佳选择。

串并联结构的PIN开关电路如图5所示。开关的插入损耗由正向偏置的串联PIN管的串联电阻和反向偏置的并联PIN管的电容电抗共同决定，隔离度由反向偏置的串联PIN管的电容电抗和正向偏置的并联PIN管的电阻共同决定。该开关的拓扑结构可以比任一单二极管拓扑结构产生更大的隔离度。

图5 串并联结构的电路

3 PIN管的吸收式单刀单掷开关的设计

采用串并联结构的电路形式，将微带板及二极管（裸管）通过导电胶粘接到盒体相应的位置，隔直电容、PIN二极管与微带线的连接则通过超声波压焊机来压金丝来实现连接，电感是采用恒温电络铁在显微镜下直接焊接[10]。最终实现的装配如图6所示。控制电路的功能主要是将晶体管-晶体管逻辑电平（Transistor Transistor Logic，TTL）信号转换成电压，给PIN二极管提供正、反偏电压。

图6 吸收式单刀单掷开的装配图

4 设计结果

制作样品，实测曲线见图7和8所示。在整个频带0.6～3 GHz范围内，当开关处于开通状态下（如图7所示），端口驻波在低端比较大，但也在设计要求范围1.5之内，实测最大为1.489，损耗实测最大为2.38 dB。当开关处于关断状态下（如图8所示），端口驻波比较好，实测最大为1.163，隔离度实测最小为 81 dB。

图7 驻波和损耗的测试曲线

图8 关断驻波和隔离度的测试曲线

5 结 论

采用本文介绍的方法研制了0.6～3 GHz吸收式单刀单掷开关，其插入损耗≤2.5 dB、隔离度≥80 dB、驻波≤1.5、开关时间≤1 μs。本次开发的开关与现有开关相比更加稳定、可靠且加工方便，宜于进行批量生产，同时还可以广泛应用于其他控制电路的设计中。