（通信与信息系统专业论文）八毫米波段pin管单刀单掷开关的研究.pdf

硕士学位论文八毫米波段 p 俐 管单刀单掷开关的研究 ab s t r a c t mi l l i met er、 v a v e s 侧te hi s a k i n d o f mi l l i meter wav e c o n t rol c i re u i t s ando ne o f v e ry l m p o rt 别 吐p 歇 tsofradarand te stsy s t e m s . t 五 e s i n g 】 e poles i n g l e 们 时 o w(s p s 劝s witch b as ed on p d 月d i o de h as been re s 江 c h e din 如sdi ss e rt at i o n . a ft e ra n a l y z i n gth e charac t e ri stico f p in di o de andth eth e o ryo f s p s ts w 1 t c 叹面s di s s e rt at i o nfo cus on fo u o win g a s p e c ts : ( 1 )t 七 et n 双 巧 mis s i on c h ar a c t e d stico ffi n- l ine a n dt r a n s i t i o nfrom fi n 一 l ine to w a v e 加d e are s 1 m u l atedby ma t l a bbefo rethe fi n l i ne 8 p s ts w it c hi s s i m ul atedb y hfs s . the fi 介 l ine s w i t c h s at i s fi e s des i gnr e q u i r e m e n ts . ( 2 ) the re s u ltso f m i c ro s trip s w 1 tch are o b 面n eda n e r the s w i t chi s s i m u l at e d b y a d s . t h e re s u l t s take o n wel l c h arac t eris t i c : th e freq u e n c y rang e from3 3 . s g h z t o 3 6 g h z ， t h e i n s e rt i o n l o s s i s l e s s 一 th anl d b a n d t h e i s o l at i o n i s gr e at e r t h a i1 3 0 d b . ( 3 ) mi c ros tr i ps 诫t c hi sm anu facture dandt e stedthet e s t r e s u l tsi n d i c a tetha t 1 h e i n s erti o nl o s s i s abo ut2 5 db andt h e i s o l at i o ni s greaterthan2 0 d bi ns e rvi c e ft e q u e n c y the c aus e o f s w i t c h 钾rform助c e dec l ine i s ana l y ze d . ( 4 ) s e v e ral ki nds o f m e t h o d s toi m p r o v e s w i t c h p e r fo rmanc e are i n t r 0 d u ee d . s o n w a r e a d si s use d for s i m u l ating b ro ad一 b andfi l t ers m加 h . the re s u l tsv e ri 斤t h e n e wswit c h can w id e n s ervi cefr e q u e n c y . k e y w o rd: s w i t c h ， mil l i m e t e r ， v a v e ， s p s t ， p in 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名年月日 硕士学位论文 八毫米波段p 俐管单刀单娜开关的研究 1绪论 毫米波是一种正在被开发利用的新的电 磁频谱资源， 由于激光、 红外技术的崛起 以 及人们认识等方面的原因，毫米波技术的发展曾一度处于低潮。70 年代初， 微波 频谱的拥挤以及红外和光学系统所凸显的某些局限性使得毫米波技术又重新引起了 世界各国 的 广泛关注11 . 毫米波具有波长短、 频带宽、 大气衰减小等特点， 是当 前国 内 外蓬勃发展的高新技术领域之一闭，在军事和民 用通信方面都有着广阔的发展前 景。 毫米波 p in 管开关是毫米波控制电 路的一种，由 于它所工作的高频段，使得它 在结构、 性能等方面均与微波频段的开关有所不同。 毫米波与微波相比具有更高的频 率， 因此相应电路和天线的尺寸可以做的更小， 同时它具有全天候的工作能力， 对烟、 雾等环境的适应能力也比较强。我国在 1950年初就开始了对毫米波雷达与远距离通 信的研究， 并又随之研制了一大批新型的毫米波器件， 例如回旋管、 p in管、 超导约 瑟夫逊结等121 阎。随 着相控阵雷达、 卫星通信、电子对抗以 及毫米波测量技术等方面 的发展， 同时新的器件和传输线趋向更高频段， 毫米波控制电路的应用需求也日 益发 展起来， 包括毫米波开关、 毫米波数字移相器、 毫米波电 调衰减器、限幅器等等。 它 们广泛用于控制毫米波信号传输路径的通断与转换，或控制信号电平的大小和相位， 并逐渐成为通信、雷达等系统中的关键部件之一 。 l l毫米波开关 毫米波开关是毫米波控制电路的 一种， 它多用于微波发射( 这里指广义上的 微波， 包括毫米波， 下同 ) 、 接收系统中，主要用来控制微波信道的通断与转换川。电 路的 控制功能主要依赖于微波半导体器件或微波铁氧体器件， 其中后者为无源网络， 功率 容量大、工作稳定、 可靠性高且不易损坏， 但它反应速度较慢， 所需控制电 流较大， 故不如前者使用的多。 在微波半导体器件中， p 一结变容管、肖 特基势垒二极管等均 可用于微波控制电路，但应用更多的仍为p in管。它除了具有响应速度快，控制电流 小等优点外， 与其它微波器件相比还有耐压高、 可处理的微波功率容量大以及所表现 的开路、短路特性好等特点1 5 。鉴于p in管的以上特点，利用p in管正偏导通和反偏 截止的特性， 并依靠一定的电路就可以实现微波信道的通断与转换， 完成这一功能的 电路即称为微波开关。 对应于不同的工作频率， 工作在毫米波段的微波开关就是这里 所讲的毫米波开关。 硕士学位论文 八毫米波段pin管单刀单掷开关的研究 1 2毫米波开关发展的历史、现状与趋势 毫米波开关是一种在雷达、 通信、 电子对抗等方面都有着广泛应用的毫米波控制 电路， 它利用p in 管等作为控制器件， 完成信号在通道间的转换。 国外较早就开始了 对微波开关的 研究， 较具代表性的 是美国h u g h e s 公司 和a 】 p h a 公司的高 速p in开关， 它们将5 皿n 波段的高速开关用于反集群坦克武器系统，另外也作为接收保护和大容 量的 代码调制器l。国 外8 幻 。 11 1 波段的p in二极管和8 o 1 1 1 1 波段开关产品己 系列化， 但对我国控制较严， 特别是开关速度小于1 0ns 的p in 管控制更严。由于国外技术的 封锁， 国内 起步相对较迟。 在五十年代， 利用半导体二极管阻抗随外加偏压变化的特 性， 我国研制出了晶体开关等各种微波控制电路，限于当时的发展和生产水平， 它们 的某些电性能很不理想。 六十年代以后， 各种新的控制器件， 如p 取 管、 变容管、 表 面取向二极管等的出现， 使微波控制电路的性能大为提高。同时， 工艺上的不断完善 也使控制电路水平有了 进一步的改善， 但总体来讲， 国内开关仍与国外有着一定的差 距。如今毫米波开关开始向单片集成的方向发展，g aas mmic 开关以其体积小、重 量轻、 无功耗等优点在电子对抗、 相控阵雷达、 仪器仪表等电子系统中得到了 广泛的 应 用， 它 是最早 受到重视的m m i c 研究项目 川。 早在19 80年， 助尹 h e o n 公司 就研制 报导了s p d t mm】 c开关， 1 9 8 7 年又研制报导了d c 一 o g h z 开关， 隔离度大于23db ， 插入 损耗为3dbi印， ， 国内的 南京电 子 器件研究所 在这一方面进行了 深入的 研究， 他 们研究设计出了高性能d c 一 20g h z 超宽带反射型g aas mmic单刀单掷和单刀双掷开 关，获得了良好的电性能。 l 3论文的主要工作 本文是对ka 波段s p s t开关的 研究， 从大量文献资料来看，目 前毫米波段开关 多 采用p in管作为开关的有源器件， 所设计的ka 波段开关通常能达到插损在z d b左 右，隔离度大于2 0db的 工作指标。 本文完成了ka 波段鳍线和微带线p in 管s p s t 开关的仿真设计工作， 对微带线开关制作了实物并调试， 测试结果符合设计要求。 本 论文主要包括以下几方面的内容: ( 1) 第一章简单介绍毫米波开关的相关概念， 并对毫米波开关的发展历史、 现状及 趋势进行阐述。 ( 2 ) 第二章对开关中的控制器件一 p in 管的基本特性进行分析，探讨单刀单掷 ( s p s t )开关的工作原理。 (3) 第三章分析毫米波鳍线p in管s p s t开关原理， 用h f s s 软件建立开关模型并 对参数进行优化， 得出优化后的仿真结果， 并探讨了提高鳍线开关性能的措施。 硕士学位论文八毫米波段p 加 管单刀单掷开关的研究 第四章分析毫米波微带线p in管s p s t开关原理， 用a d s 软件建立开关模型， 优化并且得出仿真结果。加工实物进行测试，分析侧得数据. 第五章分析影响开关性能的原因， 探讨改进电路的方法， 对宽带滤波器型开关 进行理论分析，并用a l ) 5软件建模仿真，对仿真数据分析。 、沪、j矛 413 了、了、 硕士学位论文八毫米波段p in管单刀单娜开关的研究 z p in管特性及单刀单掷 ( s p s t )开关的工作原理，0111 ” 2. i p 研 管的基本特性 p in二极管是微波开关中应用最普遍的管型。 其结构是在重掺杂的p 小 和n 十 区中 间夹一层宽度较大的不掺杂的本征区， 本征区也称为1 区( 如图2 . 1 . 1)。 实际上不可能 真正实现1 区，只能使杂质含量足够低， 常用的1 区是低掺杂n区. 加上1 区的作用 是使二极管极间电容减小，击穿电压提高。 图2 . 1 . ip in 二极管结构 p in二极管的直流伏安特性和p n结二极管是一样的，但是在微波频率的特性却 有很大差别。 在p in二极管加正向偏置的时候， 1 区的总电荷主要是由直流偏置电流 1 。 产 生， 在10 的作用 下， 1 区 注入 空穴和电 子， 虽 然他 们在1 区复合， 但由 于存在着 平 均载流子 寿命， 它 们会在1 区 保持一定的 载流子密度。 因 此1 区是一个 受jo 控制的 阻值可变的导体。 由于1 区有一定的长度， 载流子渡越1 区的时间远大于一个微波信 号周期，当正向 偏置时，即使微波信号幅度已 进入负向区，由于微波信号使1 区电荷 移出量只占 原积累电荷的一小部分， 所以仍有电流，而没有整流现象:反向偏置时， 即使微波幅度大到进入正向区， 但由 于短暂时间内正向 注入到1 区的载流子不多， 载 流子在1 区渡越尚未来得及构成复合电流时， 微波电压已经变为反向并吸出电荷， 所 以 也不产生正向电流。 因此p in二极管在正向 偏置时对微波信号只呈现为一 个线性电 阻，此阻值由 直流偏置决定，正向偏置时阻值小，接近短路;反向 偏置时阻值很大， 接近开路。从以上的分析可以 看出，p in二极管对微波信号不产生非线性整流作用， 这一点是p in二极管和一般二极管的根本区别。 综上所述，p in管在直流电压作用下，零偏时呈高阻:反偏时阻抗进一步加大; 正偏呈低阻， 且偏流越大， 阻值越低。 在微波信号作用下管子阻抗主要取决于直流偏 置的极性和大小，而与微波信号的幅度几乎无关。 因此， 可利用小功率直流改变p in 管在微波电 路中的阻 抗， 以 控制微波信号功率， 如可用于微波开关、 移相器等控制元 件中。 硕士学位论文 j 、 毫米波段p 取管单刀单娜开关的研究 2. 2 p in管等效电路分析 p in二极管正向偏置时的电路如图2. 2. 1: 图2. 2. i p in管正偏时的等效电路 其 中 rl是 正 偏 时 的1 区 电 阻 ， q为 正 偏 时 结 电 容 和 扩 散 电 容 之 和， rs是 接 触电 阻与p 奋 区和n十 区的电阻之和。 在正偏情况下， 根据p in二极管的结构模型，空穴和电子将注入1 区， 1 区的电 流密度为: 卜e ( kp+价n )( 2 2 . 1 ) 式(2 2 . 1)中 ， 玲和玲分 别为 空 穴 和电 子的 平 均 速度; p 和n 分别为 注入1 区 的 空 穴和电子密度。所以工 区的电导率口为: 口二 班= e( 称p+玲n) 甩 =e( 脚p+产 、 n)( 2. 2. 2) 户 ， 和产 、 分别为空穴 和电 子的 迁移率( 迁移率是单位电 场下载流子的 平均速度) 。 一般情况下1 区是电中性的， 注入的空穴与电子密度相等且均匀分布，则 p=n( 2 .2 . 3 ) 口=z e p it 护( 2 .2 4 ) 式 ( 2 2 . 4 )中 ， 产 护= 2 脚产 ， / ( 产 尸 + 尸 、 )( 2 .2 5 ) 为 双 极 迁 移 率， 也 就是空 穴 与电 子的 有效 平均 迁 移率。 在 硅中产 ，= 6 10厘 米2 / 伏 特 * 秒，对于一个电导率为。，电流路径长度为w截面积为a的圆柱形导体， 其电阻 的公式为: r = w了 口a( 2.2.6 ) 所以1 区电阻的计算公式为: ri= 巩/2 ea尸 朋p( 2. 2. 7 ) 而1 区中， 注入的电荷正比于偏置电 流，即: 乌= 叩 a w 二 几 r( 2. 2. 5) 人毫米波段p 幻 月管单刀单那开关的研究 所以: r，= 巩 ， 尼 产 ， 10 : ( 2 . 2 . 9 ) 式(2 .2. 9) 中 ，巩为1 区宽 度， : 为1 区内 的 平 均载 流子 寿 命，10 为 正向 偏置电 流。 可以 看出， 正向 偏置时， 1 区电 阻与偏置电 流10 成反比。 当10为几 十毫安的时候， r ， 的 值在1 欧 姆左右， 而乌一般为 几个皮法， 在微 波的 频段下， 其电 抗值1/叨沙 远 远大 于r， 所以p in二 极管正 偏时的 微波等 效电 路可以 简化为一个电 阻r ; 其大小为 凡和凡之和: r ; =r ， +凡 ( 2 . 2 . 1 0) 在反向偏置下， 1 区载流子耗尽， 因此p in二极管对微波信号基本上呈现为一个 恒定电 容。 二极管所存在的耗散损失， 在等效电路中可以用一个串联电阻或并联电阻 来表示。 一个制造良 好的p in二极管， 反偏时工 区电阻率相当高， 管子在反向偏置下 的损耗一般比正向 偏置下的损耗小得多。 在反向偏置下一般采用串 联r 一 c等效电路， 如图2. 2. 2: 凡c 0 一 一 仁 二 一一卜 叙 图2. 2. 2p 困管反偏时的等效电路 所以，二极管的微波等效电 路可以 用图2. 2. 3 表示: r 厂 图2. 2. 3二极管微波等效电 路 封 装 的p in二 极 管 的 微 波 等 效 电 路 可 以 用 图2. 2. 4 表 示 。 其 中 c ， 为 封 装 的 管壳电 容，乙 j月 r 为引 线电 感。 反 偏 厂 么洲巨 乙 脚 r 凡 图2 2 再封装二极管的微波等效电路 硕士学位论文八毫米波段p 俐管单刀单娜开关的研究 由 于 工 解和 吼的 存 在， 大 大 降 低 了 开 关 的 性 能 ， 特 别 是 频 率 高 的 时 候 更 是 如 此 ， 所以 封装形式的p in二极管不适合用于非常高的频段。 通过外加调谐元件虽然可以抵 消这些寄生参惫， 但是电路会变的比较复杂， 安装也比较麻烦， 而且开关的相对带宽 也比较窄。 ”p r 闷 管主要参数叫 p 州管参数根据封装形式的不同而有所不同， 具体参数值可在相关手册中 进行查 取， 它们将对控制电路的 性能 产生影响，主要包括以 下几种: (l ) 正向电 阻r ， 经 推导，r ; 可 表示 为: r ; = d z /2 几: 产( 2 .3 . 1 ) 式(2 :31)中 ， 声 为 载 流 子 迁 移 率。 在 用p in管 作为 开 关 元 件时 ， 要求 尽 量 减小r ; 的 值， 即 要相应减小1 层厚 度d ， 增加 正向 偏流几以 及r 和产。 但减小d会降 低反向 击 穿电 压， 而 增加r 则会引 起开关时间的 增加， 故综合考 虑， 增大正向 偏流1 。 依然是减 小凡的 有效手 段。 (2 ) 击穿电 压玲 玲指反向电 流达1 声 a时的反偏 压. 在原则 上， 微波电 压在 和负偏压叠加后， 负 偏 压最 大的 部 分不 应超 过凡， 实际 上由 于 作用时 间 短暂， 瞬时 负 压超 过几并 不会引 起管子的击穿。 因 此在设 计中， 可允许负 偏压最大值瞬时 超过叽值。 (3 ) 功率容量 开关的功率容量主要取决于p in 管的功率容量以 及电 路的形式，当p 顶 管工作 于 脉 冲情 况时 ， 其功 率容 量 主 要受限 于凡及最 大允许的电 流值。 另 外， 管 子的 平均 功率容量和散热情况有关， 可通过加大结面积、 减小1 层厚度以及改进电 路结构的方 法予以改善。 (4 ) 开关时间 开关时间就是p in管正、 反向状态转换所需要的时间， 通常希望它尽量短。 它与 载流子寿命、 激励电路以 及所承受功率有关， 当p in管所承受功率增加时， 管子的d 和a需相应增加， 而开关时间也会随之增加， 这是实际中应综合考虑的问 题。 (5)截止频率关 儿定义为: 天= 1 尼 ， c ( r ; r ， ) 2( 2 . 3 一 2 ) 式(2 .3. 2) 中r ; ，r ， 为p in管正、 反 偏电 阻， c 为反向 击穿时的电 容。 当p in管作 7 硕士学位论文八奄米波段p in管单刀单掷开关的研究 为 开 关 等 控 制 元 件 时， 应 尽 量 提 高 截 止 频 率fc、 使 工 作 频 率可 提高 至 毫 米 波 段。 本文采用m 流 c o m公司的梁式引线p in 管，型号为州 叭 4 a g b lpglz ，本管的转 换速度只有s ns，最大功率容量1 0 伽 叮 w。该型号p in管的其他主要技术参数为: 凡= 4 qct二 0. 02p f l.= 0. 5 刀 hl = 0 .4 a 2 .4 pi n 管 单 刀 单 掷( sps 劝开 关 的 工 作 原 理115 单刀单掷开关， 英文缩写为s p s t ， 利用偏置使p in 二极管工作于正偏或零( 反) 偏状态，就可以 控制微波电路的通断而构成微波开关。图2. 4 1 给出了最简单的单刀 单掷开关的基本电路形式。 图2. 4. 1最简单的s p s t基本电路形式 对于串联型开关，当二极管加正向偏置的时候，二极管导通， 其阻抗很低， 接近 于短路，开关就接通;当二极管加零 ( 反) 偏置时，二极管截止，其阻抗很高而接近 于开路，因而开关断开。 而并联型开关正好相反， 当二极管加正向偏置的时候， 由于二极管导通的时候阻 抗很低， 接近短路， 并联支路相当于一个短路面， 可以把微波信号反射回去从而使开 关断开;当二极管加零 ( 反) 偏置时， 二极管阻抗很高， 接近于开路，并联支路近似 于断开，微波信号通过。 2. 5隔离度和插入损耗 对于开关的 基本要求是: 当 开关接通时， 传输损耗尽可能小， 这种损耗称之为插 入损耗或插损; 开关关断时的衰减尽可能大， 也就是说隔离度高: 工作带宽满足要求 等。 插入损耗( il) 和隔离度(l)的计算公式为: i l ( 或d =凡i pld( 2 5 . 1 ) 式 中 ， 几为 负 载中 的 实 际 耗 散 功 率 ， 凡为 资 用 功 率， 也 就 是 假定 负 载 不 存 在的 时 候 发生器向负载传达的功率。对于图2. 4 . 1 的并联开关，把二极管等效为导纳的形式， 如图2. 5 . 1. 硕士学位论文八毫米波段p in管单刀单娜开关的研究 当 没有导纳为y的 并联支路存在的时候， 负载20上的电 压为叭; 当 并联支路存 在的时候，负载电压可表示为: 电 = z k y + 兀 ( 2 5 . 2) zo + _1 y + 几 化简后得到: 代 刀 = z k/2 + y zo ( 2 . 5 . 3) 图2. 5. 1并联等效图 插入 损耗( 或隔离 度) 恰好就是 传输线的 资 用电 压( 匹配情况下的线上电压) 玖与 负 载电 压心 之比的 平方， 表示为: il 钊k/ 与 1 ( 25 . 4) i l = 1 +y20/2l2 月十 g zo+( g zo) 2 /4 + ( b zo) 2 /4 对于图2. 4 . 1 的串联开关，把二极管等效为阻抗的形式，如图2. 5 .2 : ( 2 . 5 . 5 ) 2= r王这. 2 k 图2. 5 .2串联等效图 当 不存在阻抗为2 的串 联支路的时 候， 负载20上的电 压为玖:当 存在的时 候， 负载电压可表示为: 几 = 2 气/2 + ( 刀20) ( 2 . 5 . 6) 插入损耗 ( 或隔离度) 表示为: 硕士学位论文八毫米波段p in管单刀单掷开关的 研究 几 州 1 + 2 佗 2 o 1 司十 侧 2 0 + 俐2 0 ) 2 14 洲 x /z 。 ) 2/4 ( 2 . 5 . 7 ) 只要代入导纳y和阻抗2的值就可以 利用式 (2.5.6) 和 (2.5.7) 计算出上述两 种开关的 插入损耗和隔离度。y和2代表实际电路中p in 二极管在正向或反向偏置 状态下的导纳和阻抗。 2. p i n管开关的电路形式 利用p in管构成的开关种类很多， 例如同轴线开关、 微带线开关、 波导开关等等。 由于频率的升高， 损耗变大， 继而出现了 鳍线、 共面波导、 悬置微带线等新型毫米波 传输线所构成的各类毫米波电路。 本文将利用 p in 管作为开关的 有源器件， 分别采用鳍线和微带线作为传输线， p in 管并联加载的电路结构形式设计毫米波s p s t开关。同时对所设计的开关进行原 理分析、 软件仿真和实物调试， 以期望所设计的开关在工作带宽里具有良 好的开关特 性。 2. 7本章小结 本章首先阐述了p in 管的基本特性，这是分析毫米波 p in 管开关的基础。随后 详细分析了s p s t开关的工作原理， 并且提出了分别以鳍线和微带线作为传输线， 利 用p in 管并联的方式设计毫米波开关的设计方案，为下文的具体设计理清了思路。 硕士学位论文 八奄米波段p 俐管单刀单掷开关的研究 3毫米波鳍线p in 管s p s t开关 3. 1鳍线p i n管s p s t开关概述 本章主要研究的是鳍线p in 管s p s t开关，其简单结构示意图如图3 . 1 . 1 所示。 开关选取单侧鳍线为基本传输线， 加上直流偏置与梁式引线p 刀 陌 二极管一起构成了毫 米波段的s p s t开关1，4 1 。 一一半卜 亡 音寸 黔熬 黔黔 土 漏蒸戴 攀琳纂 撇 图3 . 1 . 1 鳍线p in 管s p s t结构图 如图3 . 1 . 1 所示，电 路中 使用了 三只p in管， 采用了并联形式横跨槽缝焊接在鳍 线上. 当不加载偏置电压时， p in管零偏呈现截止状态，开关畅通;当加载偏置电压 时p in 管正偏导通，终端短路毫米波信号被截止，开关关断。同时，由于并联 3个 p in管使得开关的隔离度得到进一步提高。 3. 2鳍线传输特性分析的经验公式 在毫米波技术中， 毫米波信号的产生、 发射、 接收和传输要求采用高质量、 低损 耗、 宽 频带且易于集成的各类传输线。 鳍线是一种平面一立体集成传输线， 它是由 矩 形波导宽边中央沿电场e方向 插入带有金属鳍状薄层的介质基片而构成。 它集成在中 等介电 常数的介质基片上，既具有矩形波导高 q低耗的 特点，又可像印 刷电 路采用 刻蚀方法方便的制作电路图形，灵活的安装有源固态器件。 鳍线的 种类大体上可分为单面鳍线、 双面鳍线和对拓鳍线三种， 其中单面鳍线最 为常用， 本文也将选用单面鳍线作为基本传输线。 鳍线的传输特性主要包括传输常数、 场分布和特性阻抗。分析鳍线特性的方法主要有两种it ， 1 。 ( 1)解析法:它主要借助脊波导的传输特性公式对鳍线进行近似分析，该方法简 单但不精确，且适用范围受限. (2 ) 数值法: 其中 应用最广的是谱域导纳法， 它是分析鳍线特性较为精确的方法。 l l 硕士学位论文 八毫米波段p in管单刀单掷开关的研究 该种方法的关键是要建立谱域中的本征方程，鳍线传输特性可由 本征方程的解得到。 具体做法为:将鳍线中的空间域场经傅立叶变换变至谱域;然后根据边界条件和 p aiseve1 定理，并利用g 习 e rk 加方法可得到本征值方程:解本征值方程得到本征值， 则传输常数、 特性阻抗等可随之确定。 需要注意的是， 鳍线中存在的是一种混合模， 它不同于微带线中的混合模，不能用 tem 模近似;它也不同于矩形波导，te 模、 1 .m模不能单独存在， 因此， 鳍线中馄合模的六个场分量都必须考虑。 在分析过程中， 为了 方便起见， 可将该混合模看成是住 模和t m模的迭加， 但这里的te 模和t m 模并不是相对于传输的纵向， 而是相对于介质分界面的法向。 取该方向为 y方向， 则场模式可记为te少 模和t m夕 模， 它们又各有五个场分量。 通过进行旋转坐标变换， 可使te 夕 模和t m夕 模在新坐标系中都只剩三个分量，由此可进一步建立本征方程， 确定鳍线传输特性。该方法的详细分析过程参见文献11 ， 。 可见， 使用该种方法计算量大， 当波导尺寸和基片介电常数发生变化时需从头算 起， 使用起来比较麻烦。 通常在设计中可采用经验公式的方法对鳍线传输特性进行近 似计算。 在这里我们选用何立权等编著的 单侧鳍线传播特性的精确分析及近似计算 所 总结出的 近似计算公式， 这组公式为116 llt : 卜(2x/ 动赤 灭 万/(el.e:)(3.2.1) 20= 2 人 人 ( 3 . 2 . 2 ) s ( 力= 1 +( s/a)( a 、 x+权 ) ( e ， 一 1 ) ( 凡 趁 ， ) 1 + (4 / 二 ) ( b / a ) ( 1 +0 ，2 派石) x l ( 3 一 2 3) a . =04 0 2 0 0 科 in ( “) 一 0 . 7 6 s 4 4 8 7 l n( 确) +0. 3 9 3 2 0 2 1 ( 3 . 24) 阮 =2.4 2 s in 0 5 5 6 1 n ( 留 d ) ( 3 . 2 . 5 ) e l 一 0 .9 7 0 9 3 3 3 功.0 5 3 5 44孔 一4 6 7 4 2 7 6 毛 2 + 1 .4 3 0 8 1 9 5 气 3 一 1 .6 1 8 1 94毛 4 e ， = 1 ，0 1 6 0 6 4 5 一 0 .2 5 5 科 1 3 x 3 + 1 0 8 9 4 3 3 9 凡 2 一 0 .弘 8 3 5 5 1 凡 3 ( 3 . 2 ， 6 ) ( 3 . 2 7) x = i n c sc (0 .5 二 的) 1 毛，小 ( 32 . 8 ) ( 3 . 2 . 9 ) 丸= 别 七 ( 3 . 2 ， 1 0 ) 2=240 二 ， 印 x 匆 x b 厄 ) 1 / (0 .3 s s x + 1 7 6 2 ) 2 沂 灭 万1 ( 3 2 1 1 ) 关 二 1 .6 以 7 似1 一 加 .6 6 5 3 0 1 气 论0 1 ，6 0 0 4 6 3 3 气 ， 一 5 2 5 .9 9 5 8 0 2 2 凡 ， + 5 1 2 .7 2 3 5 1 5 9 毛 4 硕士学位论文j 、 毫米波段p 训 曹单刀单娜开关的研究 一 1 0 2 1 .5 6 3 44 6 毛 ，“( 3 2 . 1 2 ) 人 旬.99 0 1 1 0 2 十 。 .5 2 5 3 7 4 3 x 2 礴 .0 4 1 7 9 2 3 毛 ， + 1 3 .0 6 6 7 1 6 2 气 ， 一 1 5 . 1 5 9 8 3 4 气 4 ( 3 . 2 . 1 3 ) p = 0 .7 6 3 (b 1 凡 ) 2 扣.5 8 in (b 久网.7 7 5 in ( 留 d ) 2 一 0 .6 6 8 in q . 0 3 7 2 ( b l 凡) 刊9 1 4 叽 ” ， ” 一 ， ( 3 . 2 . 1 4) p 司. 17 倒凡 ) 扣.0 098 q 司. 1 3 8 (b 浅汁 0 . 8 7 3 ” 0， ， 式 ( 3 .2 . 1 4 )和 ( 3 .2 . 1 5 )中5 凹槽深度，d为介质基片厚度 为鳍线槽宽，a 、b 分别为波导的宽和窄边长，e 为波导 ，凡为自 由空间波长。 3. 3鳍线一波导过渡段的设计 为了 实现鳍线和矩形波导之间的阻抗匹配， 我们还必须进行鳍线电路到标准矩形 波导之间的过渡段设计， 即阻抗变换器设计。 阻抗变换器通常由传输线组成， 它主要 有三种形式118:一是阻抗调配器。 它工作频带较宽， 但在工作频率改变时， 要求有 调谐装置进行调谐， 故体积较大， 一般适合在实验室中使用; 第二种是阶梯阻抗变换 器。该变换器不要求调谐， 只要设计合理， 也可在较宽频带内实现阻抗匹配。由于设 计简便、 结构紧凑， 阶梯阻抗变换器在各种毫米波器件和系统中也有广泛的应用; 三 是渐变线。 而渐变线是由阶梯阻抗变换器发展而来的一种阻抗变换形式。 如果一个阶 梯阻抗变换器的全长l保持不变，而使阶梯的数目n不断增加则每个阶梯长度不断 缩短，在极限情况下，当 n斗.，阶梯阻抗变换器即演变为渐变线。渐变线是一种 工作频带极宽的微波元件，但设计和加工比较复杂。 二厂 洲魂 - 一 了 券 撰 图3 .3.1波导一 鳍线阻抗变换段 鳍线和矩形波导之间匹配性能的好坏将直接影响到开关的性能， 特别是对开关插 八毫米波段 p 州 管单刀单称开关的研究 入损耗的影响更大。 对于鳍线和矩形波导之间阻 抗变换段的 选择， 我们既可以 使用多 节 阶梯阻 抗过渡， 也可以 使用渐变线阻 抗过渡， 它们都可以 将矩形 波导中的te，。 模 逐渐转换为鳍线模， 变换器的特性分别取决于阶梯的节数和渐变线的形式。由于渐变 线阻抗变换器频带较宽，因此在鳍线p in开关中被广泛采用1191。 矩形波导到单侧鳍线之间的过渡，主要是通过改变鳍线槽宽 5 来实现的( 图 3 .3.1)。 由 前面鳍线传输特性分析的经验公式可知， 随着槽宽5 的变化， 鳍线的 特性阻 抗也将 有不同的值，当槽宽犷b ( 波导窄边长) 时，它实际上就相当于一个矩形波导。因此， 该过渡段实际可认为是槽宽5 的过渡。 连续渐变阻抗过渡段的形式有多种选择， 可以 是单指数线、 双指数线等， 经过优化我们选用了 正弦平方指数线， 其形状可用下式表 不 : 2 5 (2 ) =b一 (b 一 5 ) s i n ( 万 从l ) ( 3 . 3 . 1 ) 式 ( 3 . 3 . 1) 中，5 为鳍线矩形波导的槽宽;b 为是矩形波导窄边高度; l 为 渐 变 段的 长 度， 通常 情 况 下 l 取 值 为人或2 人， 渐 近 线 长 度 越 长 插 损 越 小 ; 5 (z) 函 数 值 随 着 渐 变 线 长2 的 变 化 而 变 化 ， 它 是 鳍 线 槽 缝 宽 度 的 一 半 ， 式(3 .3 .1)中 2方向的选择如图3 31 。 3 4鳍 线s p s t 开 关的 分 析12 0 112 ，1 如图3 . 1 . 1 所示， 在本章研究的 鳍线p in管sps t开关中， 我们使用3 只p in管 横跨槽缝并联焊接在鳍线上， 本节将对鳍线s p s t 进行分析， 便于理解， 先利用图3 . 1 . 1 分析加 载2 只p in管的 情况。图3 :41 中儿 为 鳍线 特性导 纳， y为p 取管等效导纳， y 为 其归 一 化值，电 长度6 = 刀 l 。 p d ， 管 等效导 纳中的电 导部分可以 忽略不计， 其归 一化导纳可计为: y=jbo yy 图3 :412只p 刀 呵 管通道等效电路图 硕士学位论文 八毫米波段p in管单刀单娜开关的研究 图3 .4.1 中:电长度为6 的鳍线传输线， 其归一化a1矩阵可表示为: ( co s 夕了 咖9 、 l 了 咖，co s 夕 ) ( 3 . 4 . 1 ) 并联型单管的归一化a 矩阵可表示为: a 行; :) 一 久 :) ( 3 . 4 . 2 ) 因 此， 通 道中 两管并 联的 归 一 化 a矩阵 应为 多 个a 。 、 a ， 矩阵的 级 联，即: a z 二a l a o a l ” 丫co s oj ， in o 、 ( 又 jb l ) 戈 j sino cos 6 )戈 jb cos 6 + jys in夕 2 夕 co s o + j s in 夕 + jy， 5 迈 6 j s in夕 cos 6 十 jys in6 2刀胜.、 -一 cos o一b s in口 z j 吞 5 恤 夕 + j sin夕 一 jbz s in 夕 j s in夕 。 。 5 6一b s in夕 马 1 气 2 ) 气l a 2 2 ) ( 3 . 4 . 3 ) 如 果 在传输线中 并联 有n 个p in管， 则以 上归一化a1矩阵 级联的 形式可以 进行 推广。 我们可以令 a =a o a l cos o j s in夕 j ，in s 、f co s o ) 戈 jb 了r胜.任、 -工 cos 夕 + jys ino j s in 口 + y cos o 就要级联一个 j sin g c o s 6 ( 3 . 4 . 4 ) 2.!.、 = 可以 发现:每增加一只管子， 的归一化a矩阵可表示为: a 。 矩阵。 依次 类推， 则并 联型n 个管子 硕士学位论文j 、 毫米波段p 俐管单刀单掷开关的研究 气= 气 一 凡二 咋2 才= 一 马 a:u ( 3 . 4 . 5 ) 对 于 上 述两 个管 子并 联的 结 构， a z 矩阵的 四 个元 素 可 分别 用气 ， 、 气 : 、 气 : 、 %来 代替，即: 马 . = a22 = cos 夕 + jys i n 夕 = cos 夕 一 b s in口( 3 . 4 . 6 ) 乌 2 = j s in夕( 3 . 47 ) 气 1 = 却co s o + j s in g + 护s in o = z jbco s 夕 + j 咖夕 一 jbz s 访 夕 ( 3 .4 . 5 ) 根据 5 矩阵与a矩阵的转换关系: 凡 : 二 一 一 一 三 一一 马1 干 乌 2 + 乌， + a， ( 3 . 4 . 9) 可得插入损耗( 或隔离度) l的表达式为: ; 一 1 0 1以 1 / 1 凡 . 12 ) 一 1 0 19 匕 过 丛 止 兰 立 竺 生 二 斗 ( 3 . 4 . 1 0 ) 式 ( 3 .4 . 1 0 )中 1 马 ， + 马 : + 几 ， +几 ， 产 二 ( 2 + 2 夕 ) c os夕 + j ( 2 + z y + 夕 2 ) sin夕 12 = 4 (co5 0 一 b s in 夕 ) 2 + ( 2 石 co s 口 + 2 5 加 夕 一 吞 2 血的 2 ( 3 . 4 . 1 1 ) 则l 可以 进一步化简为: l = 1 0 1 9 ( 1 + y ) co s 夕 + j o + y + 0 . 5 y 2 ) s in 夕 尸 1 0 1 9 【 ( cos夕 一 b s in o) ， + ( b co s o + 咖夕 一 0 .5 石 ， s in o) ， 1 1 0 1 9 ( 1 + b ) ， + ( 0 .2 5 石 4 一 吞 ， ) 咖2 夕 一 0 .5 吞 ， 血2 夕 ( 3 . 4 . 1 2 ) 1 5鳍线的传输特性及渐变线形状的模拟 k 以 j l a b 是m a t xl a bora t oj ，的 缩写; 早期主 要用于 现代控制中复杂的 矩阵、 向 量的各种运算。随着k 廿 j l a b功能的不断发展， 现在的m a t l a b已 经不仅仅局 限于现代控制系统分析和综合应用， 它已 是一 种包罗众多学科的功能强大的技术计算 语言。 由3. 2 节 可知 鳍 线的 传 输 特性阻 抗20及传 输 常 数刀 ， 通过 采用 经验公 式的 方 法可 对它们的 值进行近似的估算。本文研究的鳍线s p s t开关工作于ka 波段，公式的各 硕士学位论文 八毫米波段p in管单刀单掷开关的研究 图3. 7 . 1改进的鳍线p in 管s p s t开关 为了进一步提高开关的隔离度还可以合理选择鳍线夹缝的宽度制作成高通滤波 器的形状， 并涂上液状毫米波吸收材料， 然后固化以 抑制和吸收波导一鳍线夹缝内毫 米波能量传输。 3. 8本章小结 本章首先利用m a t l a b软件对鳍线的特性阻抗、传输常数和鳍线到波导的过渡 段进行了仿真设计， 在分析了鳍线开关原理的基础上采用hfs s 软件对鳍线p in 管单 刀单掷开关进行了仿真设计，结果表明所设计的开关具有低插损高隔离度的特性。 硕士学位论文八毫米波段p u 闷管单刀单掷开关的研究 4毫米波微带线p in 管s p s t开关 本章主要研究的是微带线p in 管s p s t开关， 开关选取微带线为基本传输线， 与 梁式引线p in二极管一起构成了毫米波段的s p s t开关。本章将采用a d s 软件对毫 米波微带线开关进行建模和仿真，最后对仿真模型制作实物并测试，分析测试结果。 4. 1徽带线p 刃 闷管s p s t开关概述 微带线p in管s p s t 开关与前一章介绍的 鳍线开关相似， 它也是利用p in管的正 反偏特性来进行微波电 路的 控制，其结构如图4 . 1 . 1 所示【23 i 241 图4 . 1 . 1微带线p in管开关简单示意图 由图4 . 1 . 1 可知， 当不加载直流偏置的时候p in管零偏， 呈现高阻态近似于开路， 此时微波信号顺利的在微带线上由端口1 传输至端口2 ; 当加载直流偏置时p in正偏， 呈现低阻态近似于短路， 此时终端短路微波信号被反射， 端口1 和端口2 之间微波信 号被阻隔。 4. 2微带 线到 波导的 过渡段设 计脚 1 本章所设计的微带线s p s t 开关采用微带线作为基本传输线， 而现有毫米波测试 系统采用的是矩形波导接口， 这就要求寻找一种低成本、 低损耗、 易制造的宽带矩形 波导到微带的过渡。 本章采用的是对脊鳍线过渡， 因其可以采用微波印制版技术制作 在软基片上，现在已成为一种普遍运用的过渡结构。 4. 2. 1过渡物理模型分析 在这个由 波导到微带的过渡结构中，对脊鳍线的2 个金属鳍逐渐渐变成微带线。 制作在基片正反面的渐变鳍线构成了一圆弧形谐振区， 谐振区内的金属块是用来抑制 硕士学位论文八毫米波段p 幻 叼 管单刀单娜开关的研究 谐振的，过渡长度l ，谐振区长度x及谐振块与金属鳍的距离5( 如图4 么1 . 1 所示) 都会对过渡的性能产生影响。 若片正面圣片反