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单刀双掷开关的设计理论和方法及在无线局域网中的应用研究

引言

近年来随着无线通信技术的发展,对射频前端电路部分的要求越来越高。5GHz频段的无线局域网技术研究也日益广泛。为了使用一套天线进行收发,就需要采用单刀双掷开关进行收发切换。目前通信中的控制元件主要是利用具有体积小、重量轻、控制功率小、控制速度快的微波半导体器件。例如PIN管、FET管、变容管和肖特基管等。PIN管的特性是可以以用低直流电平来控制高功率的射频信号。

本文介绍了单刀双掷开关的设计理论和方法,先对PIN管及用PIN管设计开关做了简单的介绍,然后用软件仿真了开关电路,对电路进行了优化。

PIN管工作原理

PIN二级管是一种PIN结器件,在P型和N型接触区之间有一极小的掺杂I区,就得到了对某些器件应用来说十分需要的特性,在反偏时I区将导致极高的二极管击穿电压,而器件电容是通过增大P区和N区的距离来减小的,在正向偏置时,I区的电导率是由末端区注入电荷来控制的,这种二极管是一种低失真的偏流控制电阻器,且具有良好的线性性能,PIN管在射频微波电路中广泛应用,完成调幅、衰减、校准电平等功能,可制成极好的开关、衰减器。

PIN管在反偏下,对射频微波有很高的阻抗,在通以适当的正向电流时,又显示很低的阻抗,可作开关,在射频微波开关或衰减器等应用场合,其电路参数要求器件具有较小的串阻和总电容的分布参数,同时还根据开关电路的具体需要,要求器件有很快的开关速度,在设计时必须有重点地根据使用要求,选择器件结构及参数。

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PIN开关的设计

PIN管正反偏下不同的阻抗特性,可用来控制电路的通断,组成开关电路。按功能来分常用的开关电路有两种,一是通断开关,如单刀单掷开关,作用是控制传输系统中信号的通断,另一种是换接开关,单刀双掷或多掷开关其作用是控制信号通路。从本质上来说,都是开关,只是单路和多路的差别,或者也可以说是一种控制信号大小,一种控制路径。

一个理想的开关,在断开时衰减无限大,导通时衰减为零。由于PIN管的阻抗既不能减小到零,也不能增大至无限大,所以实际的开关在断开时衰减不是无限大,导通时也不是零,一般只能要求两者的比值应尽量大,开关的导通衰减称插入损耗,断开时的衰减称为隔离,插损和隔离是衡量开关质量优劣的基本指标。

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单刀双掷开关的结构:

根据PIN管与传输线的不同连接方式,最简单的开关可分为并联型和串联型两种,对于并联型开关,管子呈高阻抗时对传输功率影响甚微,插入衰减很小,相当于开关的导通状态,管子呈低阻抗时,传输功率大部分被反射回去,插入衰减很大,相当于开关的断开状态。对于串联型开关,情况恰好相反。串连结构的开关常用于在宽频带范围内的插损小的场合,这种设计的电路实现比较简单,不需要在印刷电路板上打孔。而并联结构的开关常用于在宽频带范围内的需要隔离大的场合,这种开关由于散热好,所以功率容量也就大。由于并联型开关中管子易于与波导传输线等连接,并有散热条件好等优点,故在实际中并联型开关应用较多。

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在所用PIN管参数已知的情况下,可以从上式计算出开关的隔离度和插损。

电路参数的优化

1、微带间隙的优化:安装PIN管的微带间隙宽度需要优化,若间隙过大,则PIN管引线过长,PIN正偏时的附加电感较大,使电路增大插损(串联管)、降低隔离度(并联管);若间隙过小,间隙电容会增大,使插损(并联管)增大、隔离度降低(串联管)。所以,设计时要在这两者中间取一个折中,使之满足需要。

2、微带线长度和宽度的优化,各段微带线的长度和宽度对电路匹配有很大影响。

3、隔直电容的优化:为了使开关前后级电路直流静态工作点不互相影响,在开关的微带线上串联隔直电容。串联的电容小,可以增加开关的隔离度,但同时增加开关的插入损耗;相应的,串联电容值过大,有利于提高曲线的平坦度,同时减小开关的插入损耗,但这样会使开关的隔离度恶化。所以要选择恰当的电容值。

单刀双掷开关仿真和结果

设计中采用了Skyworks公司的低内部引线电感的SMP1320-007(SOT-23封装),开关结构为并联型开关,用软件做了仿真。

图4是低内部引线电感的SOT-23的电路模型:可以看到下面引线L2的电感只有0.4nH,一般的SC-79封装的电感为0.7nH。

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电路板选用的是0.78mm厚的标准FR4材料。

仿真结果可得到(@5-6GHz):

隔离度(Min):19.75dB

插入损耗(Max):1.25dB

结论与分析:

从仿真结果来看与预期的结果还有些差距,匹配电路还需进一步优化设计。但与其它封装的二极管制作的PIN开关相比性能还是有所提升的。在制作实际版图中还需考虑过孔的寄生电感电容,电路性能会有所下降。

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