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引言：近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)射頻前端電路部分的要求越來(lái)越高。5GHz頻段的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)研究也日益廣泛。為了使用一套天線進(jìn)行收發(fā)，就需要采用單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行收發(fā)切換。目前通信中的控制元件主要是利用具有體積小、重量輕、控制功率小、控制速度快的微波半導(dǎo)體器件。例如PIN管、FET管、變?nèi)莨芎托ぬ鼗艿取IN管的特性是可以以用低直流電平來(lái)控制高功率的射頻信號(hào)。
本文介紹了單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計(jì)理論和方法，先對(duì)PIN管及用PIN管設(shè)計(jì)開關(guān)做了簡(jiǎn)單的介紹，然后用軟件仿真了開關(guān)電路，對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化。
PIN管工作原理
PIN二級(jí)管是一種PIN結(jié)器件，在P型和N型接觸區(qū)之間有一極小的摻雜I區(qū)，就得到了對(duì)某些器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)十分需要的特性，在反偏時(shí)I區(qū)將導(dǎo)致極高的二極管擊穿電壓，而器件電容是通過(guò)增大P區(qū)和N區(qū)的距離來(lái)減小的，在正向偏置時(shí)，I區(qū)的電導(dǎo)率是由末端區(qū)注入電荷來(lái)控制的，這種二極管是一種低失真的偏流控制電阻器，且具有良好的線性性能，PIN管在射頻微波電路中廣泛應(yīng)用，完成調(diào)幅、衰減、校準(zhǔn)電平等功能，可制成極好的開關(guān)、衰減器。
PIN管在反偏下，對(duì)射頻微波有很高的阻抗，在通以適當(dāng)?shù)恼螂娏鲿r(shí)，又顯示很低的阻抗，可作開關(guān)，在射頻微波開關(guān)或衰減器等應(yīng)用場(chǎng)合，其電路參數(shù)要求器件具有較小的串阻和總電容的分布參數(shù)，同時(shí)還根據(jù)開關(guān)電路的具體需要，要求器件有很快的開關(guān)速度，在設(shè)計(jì)時(shí)必須有重點(diǎn)地根據(jù)使用要求，選擇器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)。
PIN開關(guān)的設(shè)計(jì)
PIN管正反偏下不同的阻抗特性，可用來(lái)控制電路的通斷，組成開關(guān)電路。按功能來(lái)分常用的開關(guān)電路有兩種，一是通斷開關(guān)，如單刀單擲開關(guān)，作用是控制傳輸系統(tǒng)中信號(hào)的通斷，另一種是換接開關(guān)，單刀雙擲或多擲開關(guān)其作用是控制信號(hào)通路。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，都是開關(guān)，只是單路和多路的差別，或者也可以說(shuō)是一種控制信號(hào)大小，一種控制路徑。一個(gè)理想的開關(guān)，在斷開時(shí)衰減無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)衰減為零。由于PIN管的阻抗既不能減小到零，也不能增大至無(wú)限大，所以實(shí)際的開關(guān)在斷開時(shí)衰減不是無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)也不是零，一般只能要求兩者的比值應(yīng)盡量大，開關(guān)的導(dǎo)通衰減稱插入損耗，斷開時(shí)的衰減稱為隔離，插損和隔離是衡量開關(guān)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的基本指標(biāo)。
單刀雙擲開關(guān)的結(jié)構(gòu)：
根據(jù)PIN管與傳輸線的不同連接方式，最簡(jiǎn)單的開關(guān)可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，對(duì)于并聯(lián)型開關(guān)，管子呈高阻抗時(shí)對(duì)傳輸功率影響甚微，插入衰減很小，相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，管子呈低阻抗時(shí)，傳輸功率大部分被反射回去，插入衰減很大，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)。對(duì)于串聯(lián)型開關(guān)，情況恰好相反。串連結(jié)構(gòu)的開關(guān)常用于在寬頻帶范圍內(nèi)的插損小的場(chǎng)合，這種設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，不需要在印刷電路板上打孔。而并聯(lián)結(jié)構(gòu)的開關(guān)常用于在寬頻帶范圍內(nèi)的需要隔離大的場(chǎng)合，這種開關(guān)由于散熱好，所以功率容量也就大。由于并聯(lián)型開關(guān)中管子易于與波導(dǎo)傳輸線等連接，并有散熱條件好等優(yōu)點(diǎn)，故在實(shí)際中并聯(lián)型開關(guān)應(yīng)用較多。
在所用PIN管參數(shù)已知的情況下，可以從上式計(jì)算出開關(guān)的隔離度和插損。
電路參數(shù)的優(yōu)化
1、微帶間隙的優(yōu)化：安裝PIN管的微帶間隙寬度需要優(yōu)化，若間隙過(guò)大，則PIN管引線過(guò)長(zhǎng)，PIN正偏時(shí)的附加電感較大，使電路增大插損（串聯(lián)管）、降低隔離度（并聯(lián)管）；若間隙過(guò)小，間隙電容會(huì)增大，使插損（并聯(lián)管）增大、隔離度降低（串聯(lián)管）。所以，設(shè)計(jì)時(shí)要在這兩者中間取一個(gè)折中，使之滿足需要。
2、微帶線長(zhǎng)度和寬度的優(yōu)化，各段微帶線的長(zhǎng)度和寬度對(duì)電路匹配有很大影響。
3、隔直電容的優(yōu)化：為了使開關(guān)前后級(jí)電路直流靜態(tài)工作點(diǎn)不互相影響，在開關(guān)的微帶線上串聯(lián)隔直電容。串聯(lián)的電容小，可以增加開關(guān)的隔離度，但同時(shí)增加開關(guān)的插入損耗；相應(yīng)的，串聯(lián)電容值過(guò)大，有利于提高曲線的平坦度，同時(shí)減小開關(guān)的插入損耗，但這樣會(huì)使開關(guān)的隔離度惡化。所以要選擇恰當(dāng)?shù)碾娙葜怠?
單刀雙擲開關(guān)仿真和結(jié)果
設(shè)計(jì)中采用了Skyworks公司的低內(nèi)部引線電感的SMP1320－007（SOT－23封裝），開關(guān)結(jié)構(gòu)為并聯(lián)型開關(guān)，用軟件做了仿真。
低內(nèi)部引線電感的SOT－23的電路模型：可以看到下面引線L2的電感只有0.4nH，一般的SC－79封裝的電感為0.7nH。
電路板選用的是0.78mm厚的標(biāo)準(zhǔn)FR4材料。
仿真結(jié)果可得到（@5-6GHz）：隔離度（Min）：19.75dB 插入損耗（Max）：1.25dB
結(jié)論與分析：
從仿真結(jié)果來(lái)看與預(yù)期的結(jié)果還有些差距，匹配電路還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。但與其它封裝的二極管制作的PIN開關(guān)相比性能還是有所提升的。在制作實(shí)際版圖中還需考慮過(guò)孔的寄生電感電容，電路性能會(huì)有所下降。
