基于介质谐振器和PCB技术的SPDT滤波开关

2022-08-29张朋飞陈建新

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2022年4期

张朋飞，秦伟，刘疆，陈建新

(南通大学信息科学技术学院，江苏南通 226019)

0 引言

随着无线通信技术的不断发展，频谱资源的拥挤问题变得十分严峻。为了缓解频谱资源短缺的问题，时分双工(time division duplex, TDD)技术应运而生。在TDD通信子系统的射频前端，开关是一个基本的器件[1-2]，且开关通常与带通滤波器级联使用。近年来，专家学者们将开关和滤波器联合设计在同一微波器件中，提出了滤波开关的概念。

现有滤波开关大多使用印刷电路板(printed circuit board, PCB)技术实现[3-8]。PCB电路是平面结构，易于实现小型化、轻量化与集成化，且方便焊接PIN二极管来实现开关功能[9-10]。然而，由于PCB电路上微带谐振器的品质因数较低，因此，基于PCB技术的滤波开关在导通状态下的带内插入损耗通常较大，很难满足现代无线通信系统的要求。介质谐振器因其高品质因数、高功率容量等优点被广泛应用于现代无线通信系统中[11-14]。介质谐振器的品质因数可以达到微带谐振器的几十倍甚至更高。因此，介质谐振器滤波器的带内插入损耗比微带滤波器小得多，通常在1 dB以内。然而，传统的介质谐振器滤波器不能集成PIN管，难以用于设计滤波开关。

本文基于介质谐振器和PCB技术设计了一种单刀双掷(single pole double throw, SPDT)滤波开关，其结构如图1所示。

图1 SPDT介质滤波开关结构示意图

图1主要包括2部分：①实现滤波功能的介质谐振器滤波器部分；②实现开关功能的PCB部分。PCB电路覆盖在介质谐振器滤波器上方，替代原有金属盖子。本设计的滤波功能和开关功能由不同部分实现，相互影响很小，因此，可以分别独立设计，大大降低了设计难度。开关电路的导通状态等效为一段传输线，且基本没有信号从PIN管流过，所以开关电路不会造成过多的额外插入损耗。为了验证本设计，我们加工并测试了一个二阶滤波开关实例。测试结果表明，与传统单纯PCB滤波开关相比，本设计具有更低的插入损耗和更高的隔离度。

1 开关电路设计

由图1可以看到，介质滤波器的馈电部分由微带传输线连接金属探针组成，其中，端口1为输入端口。为便于下文的描述，本文将金属探针2的输出端口用1′表示，端口1′经过PCB电路上的SPDT开关电路，分别从端口2或端口3输出，SPDT开关电路的原理图及等效电路图如图2所示。

图2 SPDT开关电路的原理图及等效电路图

当PIN管零偏或反偏时，由于PIN管自身存在寄生效应，其等效为一个小电容(Coff)，分析的时候视为开路；当PIN管正偏时，可简化为一个小电阻(Ron)，分析的时候视为短路。

进一步分析该SPDT开关电路。由于其结构对称，所以只需分析其中的一条通路即可，单条通路开关电路的结构如图3所示。

图3 SPDT开关电路中单条通路的结构示意图

本文中PCB板采用的是Rogers RO4003C，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.002 7，厚度为0.813 mm。为了减小辐射损耗，PCB采用接地共面波导(coplanar waveguide ground, CPWG)结构，PCB板上、下两层金属地通过诸多金属化通孔进行连接。当PIN管截止时，该开关电路是一个加载开路枝节的二阶带阻滤波器，此时通路关闭。通过调节枝节线的长度，可以改变阻带的中心频率。枝节1和枝节2的长度、枝节1与枝节2之间的距离均约为中心频率对应的1/4波长。目标中心频率为1.75 GHz，建模并仿真了一个这样的带阻滤波器，仿真结果如图4所示。图4a中，阻带的中心频率为1.75 GHz，当阻带抑制达到50 dB时，阻带的宽度约为100 MHz。将PIN管导通，则枝节1和枝节2终端变为短路，在1.75 GHz时，这2个枝节的输入阻抗接近无穷大，对信号的传输基本没有影响，此时整个通路等效为一段传输线，见图4b，1.75 GHz处的插入损耗仅为0.38 dB。

图4 开关电路中单条通路的仿真结果图

2 介质谐振器滤波器设计

本节设计的介质谐振器带通滤波器结构如图5所示。其中，金属探针被用来对介质谐振器的主模TE01δ模进行馈电，谐振器之间耦合通过耦合窗来实现。为了方便后期调试，每个介质谐振器正上方均设置介质调谐盘。

图5 介质谐振器滤波器结构示意图

滤波器的设计过程遵循经典的耦合谐振器理论[15]。首先，根据滤波通带中心频率确定介质谐振器的尺寸，使得介质谐振器的主模TE01δ模的谐振器频率与所要求的滤波通带中心频率(1.75 GHz)一致；然后，根据滤波通带的性能要求，即相对带宽FBW=0.6%、带内回波20 dB，得到滤波器的耦合参数：端口1到介质谐振器1的耦合量MS1=1.24，介质谐振器1和介质谐振器2之间的耦合量M12=1.72，介质谐振器2到端口2的耦合量M2L=1.24。外部品质因数Qe及耦合系数m12分别为

(1)

m12=FBW·M12=0.01

(2)

根据(1)式和(2)式可以得到馈电结构和耦合结构的尺寸，进而在电磁仿真软件中建模仿真。本文使用的介质材料相对介电常数为38，损耗角正切为0.000 1。优化后的二阶介质谐振器滤波器的仿真结果如图6所示。

图6 介质谐振器滤波器的仿真结果

图6显示滤波通带满足设计要求，但在通带的两边各产生了一个传输零点。传输零点距离滤波通带较远，基本不影响滤波通带性能。综合出实际的耦合矩阵为

(3)

(3)式中，S、R1、R2、L分别表示端口1、介质谐振器1、介质谐振器2、端口2。除了主耦合MS1、M12、M2L外，同时还产生了交叉耦合MS2、MSL、M1L。由于交叉耦合远小于主耦合，所以在距离通带较远的频点产生了2个传输零点。

3 SPDT滤波开关的设计、测试及分析

将上述介质谐振器滤波器和开关电路结合，即可得到SPDT滤波开关。PCB上SPDT开关电路的具体结构如图7所示。电容C1、C2和C3均用于隔直，且容值均为620 pF。其中，C1和C2用于保护测试仪器；C3用于将2条通路的直流分量隔开，以便单独对2条通路进行开和关的控制。偏置电阻R为3 kΩ。PIN管为Skyworks SMP1340-079LF，其工作频率在2 GHz以上，高于本设计的滤波通带。当PIN管零偏时，等效电容Coff为0.3 pF；当PIN管正偏(30 V)时，等效电阻Ron为1 Ω。

图7 SPDT介质滤波开关的俯视图

为了验证本设计，对其进行了加工及测试。所加工的滤波开关实物图如图8所示。

图8 实物图

其中，图8a是介质谐振器滤波器部分；图8b和图8c分别是PCB开关电路正面和反面；图8d是将介质谐振器滤波器和PCB开关电路组装后的整体实物图。测试时，偏置电压设置为30 V。仿真与测试结果如图9所示，滤波通带的中心频率和相对带宽分别为1.75 GHz和0.6%。当端口2打开而端口3关闭时，通带内插入损耗为0.92 dB，回波损耗优于19 dB，隔离度优于47 dB；当端口2关闭而端口3打开时，通带内插入损耗为0.94 dB，回波损耗优于20 dB，隔离度优于47 dB。端口2和端口3的通带特性及隔离度差别不大，且与仿真结果基本吻合。隔直电容C3的引入破坏了对称性，使得2条通路的回波损耗有较小的差异。由图9可以看出，通带附近的零点向远处偏移，这是由于装配时馈电探针的长度和位置存在误差而造成的。对于射频微波可开关元件，其开关转换速度取决于PIN管对直流偏置的响应时间，与电路采用的技术关系不大。本文采用的PIN管的响应时间在毫秒量级，因此，本设计中开关转换速度也在毫秒量级。