（通信与信息系统专业论文）gsm双频段ltcc天线开关模块的研究与设计.pdf

硕士论文 g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 摘要 随着移动通信终端设备向小型化、便携式、集成化、多功能以及低成本方向的不 断发展和追求，人们在系统的研发时间、设计成本以及系统集成度方面面临着越来越 苛刻的要求和更为严峻的挑战。而作为提高射频通信电路集成度的l t c c ( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ，l t c c ) 模块技术则成为了当前的研究热点和重点。 本文所研究的g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的内容涉及：m m i c ( 单片微 波集成电路) 单刀双掷开关的研发，l t c c 双工器、滤波器的设计以及天线开关模块的 整体组合。课题涉及面较广，难度很大，极具挑战性。 本文所设计的天线开关模块是由两只单刀双掷( s p d t ) p h e m t 吸收型开关和 l t c c 组件( 包括低通滤波器和双工器) 两部分组成。本文首先介绍了微波开关的一些 基本理论以及各类微波开关的电路拓扑结构，并成功设计了一款s p d tp h e m t 吸收型 开关：然后结合项目具体要求，重点论述了l t c c 低通、高通、带通滤波器以及双工 器的设计方法，设计结果满足项目指标要求，设计文件已交付厂家进行生产；最后将 m m i c 单刀双掷微波开关和l t c c 双工器整合，进行了三维模型的构建与仿真，探索 了一种自主设计l t c c 天线开关模块的有效方法。 最后设计的l t c c 天线开关模块组件尺寸为4 5 m i n x3 2 m m 1 2 m m ，在g s m ( 8 2 4 8 9 4 m h z ) 和d c s ( 1 7 1 0 - 1 8 8 0 m h z ) 的双工作频带内，接收模式和发射模式带 内插入损耗均小于l d b ，两个工作频段的二次谐波和三次谐波的抑制全大于2 5 d b ，各 个端口的驻波比均小于1 7 ，各项性能均满足项目的指标要求，为天线开关模块的后续 设计打下了坚实的基础。 关键词：微波开关，低温共烧陶瓷( l t c c ) ，滤波器，双工器，天线开关模块( a s m ) a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm o b i l et e r m i n a le q u i p m e n ti sm i n i a t u r i z a t i o n , p o r t a b l e ， i n t e g r a t e d ，m u l t i f u n c t i o na n dl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t p e o p l e a r ef a c i n gm o r ea n dm o r e h a r s hr e q u e s ta n dam o r es t e mc h a l l e n g ei ns y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ( r _ & d ) t i m e ， t h ed e s i g n e dc o s ta n dt h es y s t e mi n t e g r a t i o nr a t ea s p e c t b u tt h el t c c ( l o wt e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c ) m o d u l et e c h n o l o g yo fe n h a n c i n gt h er a d i of r e q u e n c y ( r e ) c o m m u n i c a t i o n e l e c t r i cc i r c u i ti n t e g r a t i o nr a t eb e c o m e st h ec u r r e n tr e s e a r c hh o ts p o ta n dk e y t h i sa r t i c l es t u d i e sg s m d c st h ed u a lr a n g el t c ca n t e n n as w i t c hm o d u l e ( a s m ) i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho fm m i c ( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) s i n g l ep o l e d o u b l et h r o ws w i t c h ，t h ed e s i g no fl t c cd i p l e x e ra n df i l t e r ，a n dt h ew h o l ec o m b i n a t i o n a b o u tt h ea s m t h et o p i ca f f e c t e da r e ai sb r o a d ，t h ed i f f i c u l t yi sv e r yb i ga n dh a st h e c h a l l e n g i n ge x t r e m e l y t h ea s mi sc o m p o s e do ft w os i n g l ep o l ed o u b l et h r o w ( s p d t ) p h e m ta b s o r p t i o n s w i t c h sa n dl t c cd i s c r e t e n e s s ( 1 0 w p a s sf i l t e ra n dd i p l e x e r ) t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e d m i c r o w a v es w i t c h ss o m ee l e m e n t a r yt h e o r i e sa sw e l la se a c hk i n do fm i c r o w a v es w i t c h s e l e c t r i cc i r c u i tt o p o l o g y , a n dt r i u m p h a n t l yd e s i g n e dam o d e lo fs p d tp h e m ta b s o r p t i o n s w i t c h t h e ni n t e g r a t i n gt h ep r o j e c ti n d e xt oe l a b o r a t et h ed e s i g nw a yo ft h el t c cl o w p a s s 、h i g hp a s s 、b a n d p a s sf i l t e ra n dt h ed i p l e x e r , t h ed e s i g nf i l eh a sp a i dt h ef a c t o r yt oc a r r y o nt h ep r o d u c t i o n f i n a l l y , b yc o n f o r m i n gt h em m i cs p d ts w i t c ha n dt h el t c cd i p l e x e r , p r o p o s e do n e k i n do fd e s i g np r o p o s a la b o u ta s m ，a n dh a sc a r r i e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lc o n s t r u c t i o na n dc o n f o r m i t y , p r o v e dt h i si saf e a s i b l ed e s i g nm e n t a l i t y t h ea s m sl t c cd i s c r e t e n e s sp a r t i a ls i z ei s4 5 m m 3 2 m m x1 2 m m a tt h ew o r k f r e q u e n c yr a n g eo fg s m ( 8 2 4 - 8 9 4 m h z ) a n dd c s ( 1 710 - 18 8 0 m h z ) ，t h ei n s e r t i o nl o s sa r e s m a l l e rt h a nld b t h ea t t e n u a t i o na t2 f ( fi sw o r kf r e q u e n c yr a n g ) a n d3 fa l eb i g g e rt h a n 2 5 d b ，t h ev s w ro fe v e r yp o r ti ss m a l l e rt h a n1 7 t h ep e r f o r m a n c es a t i s f i e dt h et e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n ，a n dl a i dd o w nt h es o l i df o u n d a t i o nf o rt h ea s m sf o l l o w i n gd e s i g n k e yw o r d ：m i c r o w a v es w i t c h , l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) ，f i l t e r , d i p l e x e r , a n t e n n as w i t c hm o d u l e ( a s m ) i i 硕士论文g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 1 绪论 1 1 天线开关模块的概述及研究意义 常规g s m 手机在硬件实现方面包含基带和射频两部分：基带部分主要完成语音信 号的数字模拟，模拟数字转化、信道编解码、数字语音信号的编解码、系统的时序控 制以及振动器、蜂鸣器、键盘、l c d 等人机接口的控制；射频部分的基本作用是将来 自手机基带部分的i q 信号上变频至指定的载频上，再由功放单元对发射信号进行放 大，通过功率控制调整功放单元对信号的放大程度，使发射功率达到指标的要求【l 】。而 天线开关模块主要完成接收和发射的转换，通过天线接收来自基站的射频信号或者将 系统的信号发射出去。 现今的移动通信设备已经由纯粹的通信工具转化为一台集无线局域网、数字电视、 蓝牙和卫星导航等多种功能于一身的个性化多媒体设备，可以说，手机已经成为了人 们日常生活中必不可少的交流和娱乐工具【2 j 。如今，中国联通、移动和电信成为了第三 代移动通信( 3 g ) 的运营商，标志着3 g 已经开始在国内市场普及和发展。因此，手机终 端向多频、多模、多制式、多功能以及小型化发展成为必然的趋势，实现这些要求的 基础就是加快提高射频前端模块的集成度，集成的最终目标就是获得一种整合所有元 件的完整射频模块。 天线开关模块( a n t e n n as w i t c hm o d u l e ，a s m ) 是提高射频元件集成度的基础之一。 在国内，虽然有许多的l t c c 生产线，但由于电路设计水平低、工艺条件差以及缺乏 实际生产经验等原因，目前仍停留在滤波器、双工器、巴伦等单个无源器件的生产和 研发上。因此，加快对l t c c 技术的掌控以及对新产品的研发是我们当前刻不容缓的 任务和奋斗目标。而在国外，早在2 0 世纪9 0 年代就已经有了天线开关模块研制成功 的报道，并在2 0 0 5 年就已经实现了较大规模的商用。从而可以看出，中国在l t c c 产 品方面的开发比发达国家至少落后五年，只有通过不断的探索、研究、交流和总结， 才可能摆脱落后的局面。 为此，本文从最简单的滤波器设计着手，结合所掌握的设计方法对天线开关模块 进行系统的研究，并将l t c c 双工器和p h e m t 单刀双掷开关结合，统一进行原理图 的搭建和优化，从整体出发设计天线开关模块，以便为l t c c 射频模块的研发和集成 提供一定的技术积累。 l 绪论硕士论文 1 2 l t c c 技术综述 1 2 1 l t c c 技术的现状和发展前景1 ：3 1 l t c c 作为近年来兴起的一种多学科交叉整合组件技术，广泛的受到了世人的关注 和追捧，其以优异的电子、机械、热力特性已成为未来电子元件集成化、模块化的首 选方式，广泛的运用于基板、封装及微波器件等领域。t e k 的调查资料显示，2 0 0 4 - - 2 0 0 7 年间全球l t c c 市场产值呈现快速增长的趋势，同时，业内人士也预示了2 0 0 8 2 0 1 0 年l t c c 的产值将继续稳步上升，由此可见，未来全球l t c c 市场规模的发展前景依 然乐观。表1 给出了过去几年全球l t c c 市场产值增长情况。 表1 2 1 过去几年全球l t c c 市场产值增长情况 百万美元 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 全球产值 3 2 45 7 88 4 19 1 11 0 4 5 产值成长率 2 0 6 9 4 6 8 1 5 目前，l t c c 材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化阶段，并可以对 材料进行系统的设计和研发。由于国外厂商很早便驻足这一行业，因此在材料掌控， 产品质量，专利技术以及规格主导权等方面均占有着巨大的领先优势。图1 2 1 给出了 全球l t c c 厂商市场占有情况。而国内由于起步较晚，拥有自主知识产权的材料体系 和器件方面几乎是空白，目前发展较好的有浙江正原电器有限公司，他们拥有自己的 l t c c 生产线以及自主研发和设计的材料。但是，与国外相比，差距还是非常的巨大。 图1 2 1 全球l t c c 厂商市场占有情况 1 2 2l t c c 技术的优点 l t c c 技术由于其本身所具备的一系列优点使得其在通讯、宇航与军事、微机电系 统( m e m s ) 与传感技术、汽车电子等领域得到广泛应用。与其它集成技术相比，l t c c 技术的主要优越性在于【4 。5 】： ( 1 ) 陶瓷材料具有优良的高传输特性以及高q 、高频特性； 2 硕士论文g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 ( 2 ) 印制导体材料使用电导率高的金属来制备，有利于提高电路系统的品质因素； ( 3 ) 可将无源元件埋入l t c c 介质中，电路基板可多达几十层，有利于提高电路的 集成度； ( 4 ) l t c c 多层基板具有较好的温度特性，可满足大电流和耐高温的特性要求，与 普通p c b 电路基板相比具有更好的热传导性； ( 5 ) l t c c 多层基板气密性良好，有助于提高设计的灵活性和可靠性，同时可以降 低元件的尺寸以及成本； ( 6 ) 制作工艺一次性烧结成型，印制精度高，多层基板生瓷带可进行逐步检查，有 利于生产效率的提高。 随着电子产品朝小型化、便携式、多功能方向发展，因而也要求l t c c 组件技术 朝高集成度、高封装效率、多功能、高可靠性等方向发展。具体表现在如下几个方面【6 】： ( 1 ) 开发具有更加良好的化学性能、电气特性、热性能和机械性能的l t c c 材料， 包括电阻材料、布线导体材料、介质材料、基板材料等； ( 2 ) 进一步完善和发展l t c c 制造工艺。随着l t c c 的应用领域向高频方向发展，。 需要更细的线宽与线间距，这是传统的厚膜印刷工艺无法满足的，因此需要进一步发 展和开发l t c c 制造技术和材料； ( 3 ) 建立完整的l t c c 设计数据库。包括材料和元器件的建模，这将会大大地缩短 l t c c 组件的设计和制备时间，对加快新产品的开发和降低成本，提高l t c c 技术的竞 争力都有极大的好处。 l t c c 技术发展同样面临来自不同技术的竞争与挑战，必须继续强化自身技术发 展、大力降低制造成本、不断开发新的工艺条件，才能使自己拥有更加广阔的发展前 景和技术优势。 1 2 3l t c c 的工艺流程7 捌 l t c c 的工艺流程比较复杂，如下图1 2 2 所示。 一竺苎竖竺型r 图1 2 2l t c c 工艺流程图 丁百西习 1 绪论硕士论文 原料合成：将原料按一定配比制成符合产品设计要求的粉料。 浆料制备：在合成好的原料中加入粘合剂，溶剂，添加剂等，制成流延浆料。 流延成型：浆料以薄膜为载体，按设计要求流延成型，制成生瓷片( 带状) 。 切片：将生瓷片( 带状) 切成可供后道加工的方片。 打孔：在生瓷片上打上定位孔、识别孔。 内电极印刷：按设计要求在生瓷片上印刷电极电路。 叠层：将印刷好电极的生瓷片按规定的秩序进行加压叠层。 等静压：将叠层好的瓷板在温水等静压机种加压，使瓷板内部更加紧密牢固。 切割：将压好的瓷板按尺寸切割成产品形状。 排胶成烧：将产品中的脂、胶等低分子物去掉，煅烧成瓷。 外电极印刷：在产品的外侧印上导电电极。 测试分选：在自动测试分选机上对产品的外观、电性能进行分选测试，不合格品 自动去掉。 1 2 4l t c c 产品介绍1 9 。1 1 】 l t c c 技术已广泛应用于无线通信、无线局域网、汽车、宇航工业、全球定位系统、 军事等产业。利用l t c c 技术，既可制造单一功能元件( 如电阻、电感、滤波器、双 工器、天线等) ，还可以整合前端元件，如功率放大器、低噪声放大器、双工器、滤 波器、开关、天线等制成射频前端模块，可有效地降低产品重量和体积，达到产品轻、 薄、短、小、低功耗的要求。按这些产品所包含的元件数量和在电路中的作用，大体 可分为以下四类： ( 1 ) l t c c 元件：如高精度片式电阻器、电感器、片式微波电容器等，以及这些元 件的阵列。 ( 2 ) l t c c 功能器件：如片式射频无源集成组件，包括l c 滤波器及其阵列、功分器、 定向耦合器、b a l u n 、天线、延迟线、功率合成器、衰减器、共模扼流圈及其阵列、e m i 抑制器等。 ( 3 ) l t c c 封装基板：如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板 左盘 守o ( 4 ) l t c c 模块基板：如蓝牙模块、天线开关模块、功放模块、手机前端模块等。 这些l t c c 产品的应用领域很广泛，如各种制式的手机、蓝牙模块、p d a 、g p s 、 w l a n 、光驱、数码相机、汽车电子等。 l t c c 微波器件的设计离不开支持它的生产线，只有严格按照工艺线提供的生产精 度进行设计才能使设计成果有加工成产品的可能性。因此，注重理论和实际的结合是 l t c c 微波器件设计过程的基本所在。 硕士论文g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 1 3 论文主要内容及安排 本文所研究的天线开关模块是由单刀双掷微波开关、低通滤波器以及双工器组成。 因此，首先对微波开关的基础知识、电路拓扑以及p h e m t 管子的物理结构和模 型进行了系统的介绍和研究，并采用p h e m t 工艺，利用已有的管子模型及a d s 软件 的优化技术，设计了一款单刀双掷开关。然后，讨论了如何在l t c c 工艺中设计并实 现低通、高通、带通滤波器以及双工器。最后，将上述微波开关与滤波器、双工器整 合，综合指标、尺寸和工艺规则要求，对l t c c 天线开关模块进行了详细研究。 本论文的主要研究内容及结构体系如下： 第一章是绪论，首先介绍了国内外天线开关模块的研究动态及发展概况，阐述了 a s m 研究的重要意义；然后介绍了l t c c 的技术优势、工艺流程以及发展前景；最后 简单介绍了设计的总体方案和流程。 第二章主要介绍了微波开关的基础知识以及g a a sp h e m t 的开关机理，并利用微 波开关的电路拓扑结构和厂家工艺线提供的相关模型设计出了一款吸收型p h e m t 单 刀双掷开关。 第三章系统的介绍了滤波器的分类、主要技术指标以及滤波器之间的相互变换。 这些为第四章、第五章具体滤波器的设计提供了理论基础。 第四章结合所做过的项目着重介绍如何利用集总参数设计l t c c 低通、高通滤波 器以及双工器，同时也简单的分析了分布参数带通滤波器的设计方法。 第五章介绍了天线开关模块的设计方案，并将开关、双工器和滤波器进行整合，、 完成了三维模型的建立和优化仿真。 第六章是总结与展望，总结本论文的主要研究成果，就研究过程中出现的问题进 行了分析，并且对后续工作进行了简单介绍。 5 2 微波开关硕士论文 2 微波开关 从高度复杂的空间通信系统到简单要求将r f 信号在两条通路间相互切换的普通 应用，微波开关都是不可缺少的关键器件；高性能、体积小、通用的微波开关在电缆 调制解调器，u t m s ，蜂窝g s m ，直播广播系统，点对点和点对多点广播系统等商业 r f 通信系统中的应用需求持续增大，同时微波开关在相控阵雷达、卫星通信、电子对 抗和电子仪器等系统中也有广泛的运用l 1 2 1 。不同应用对开关的性能要求也不一样，包 括插入损耗、隔离度、直流功率消耗、功率处理能力、频带宽度等，因此应根据不同 应用选用不同类型和性能的开关i l 引。 2 1 微波开关基本知识 2 1 1 微波开关的主要技术指标1 1 4 。1 6 1 微波开关的主要技术指标包括：插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容量 以及开关时间等。下面逐一进行介绍： ( 1 ) 插入损耗和隔离度 插入损耗的定义：信号源产生的最大资用功率n 与理想开关在导通状态时负载获 得的实际功率凡之比。即 尼= 垒 ( 2 1 ) 微波开关的隔离度定义为微波开关断路时的插入损耗。 根据网络散射参量的定义，用两端口网络参量表征开关网络特性，则： i s ：, 1 2 引r 2 耻。每 因此，插入损耗与隔离度还可以用散射参量表示为 i l ：上 l 是。1 2 = l o l g l l = - 2 0 l g l s 2 1 i ( 2 ) 输入输出驻波比 电压驻波比仅仅反映端口输入输出匹配情况。端口电压驻波系数最小， 耗不一定最小；但是差损最小的开关其电压驻波系数肯定小。 船脓= 制 6 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 开关的损 ( 2 5 ) 硕士论文 g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 ( 3 ) 功率容量 功率容量是指在给定的工作条件下，微波开关所能承受的最大输入功率。 ( 4 ) 开关时间 微波高速开关具有高带宽、高速等特点，广泛地运用于航天航空、通讯、雷达和 武器装备等电子系统和民用电子设备中，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性。 开关时间参数是评价微波开关的重要参数。 开关时间是指开关从断开到闭合状态以及从闭合到断开状态所需的时间。它等于 开启时间与关断时间之和。图2 1 1 说明了开关时间的各个组成部分，及其所代表的物 理意义。 鲞甩甲方 材啦拔时 图2 1 1 开关时间概念示意图 接通延迟是输入信号达到它的峰值9 0 的瞬时与检波射频包络达到它峰值1 0 的 瞬时之间的时间间隔。接通开关速度定义为射频输出包络从它的峰值1 0 上升到其峰 值9 0 的时间间隔，将接通延迟和接通开关速度之和称为开通时间，代表开关从关断 状态过渡到导通状态所需要的时间。 切断延时是输入信号达到它的峰值的1 0 的瞬时与检波射频包络达到它峰值的 9 0 的瞬时之间的时间间隔。切断开关速率定义为射频输出包络从它的峰值9 0 下降 到其峰值1 0 的时间间隔。将切断延时与切断开关速率之和称为关断时间，代表开关 从导通状态过渡到关断状态所需要的时间。 除此之外，还常常考虑开关的工作条件、重复能力、l d b 压缩点、三阶交调( i p 3 ) 等。总的来讲，微波开关应满足：导通时电压驻波比小，插入损耗小：关断时隔离度 高；同时工作频带要足够宽，开关时间尽可能短，功率容量需满足要求等。 7 0 驾馨目曾审牟苇射 麓孽磴粤鲁纛辑 2 微波开关硕士论文 2 1 2 微波开关的种类1 1 7 l 微波开关的种类有很多，而射频微波开关最突出的特点就是作高频信号的传输路 径切换，以满足测试系统的信号传输需求。 以工作原理来分：射频微波开关分为半导体开关和机电开关。半导体开关是利用 p i n 二极管、耗尽型f e t 通过电流、电压控制而实现高频信号的通断；机电开关是通 过内部的机械结构来实现高频信号的通断。 若按照电性能可分为两类：吸收式和反射式。吸收式：在关断时，v s w r 和开通 时相比变化较小，有利于与相连接的器件进行阻抗匹配。反射式：在关断时，v s w r 变的非常大，常导致阻抗失配。 而从用途进行分类，则包括s p d t 、转化开关、多路开关、旁路开关、矩阵开关等。 按连接器的种类来分，则有波导和同轴之分。 在通信领域通常使用的是机械开关和半导体开判1 8 1 ，固态开关在重复性、开关速 度、功耗和工作寿命上要比机电开关具有更大的优越性，但频率范围、插入损耗、隔 离度等方面则不如机电开关，因此，了解每种开关的特点可以正确选择更为合适的微 波开关，满足测试需求。 2 2g a a sp h e m t 管子的开关特性和等效电路模型 近年来，g a a sp h e m tm m i c 开关因其具有的功耗低、易于集成、驱动电路功率 小、偏置网络简单、具有宽带特性和大的功率容量等优点，在微波系统中得到了广泛 的应用和发展【1 9 1 。本节将简要的介绍g a a sp h e m t 的物理结构和等效电路模型。 2 2 1g a a sp h e m t 的物理结构和特性l 加l 图2 2 1 给出了p h e m t 器件的横截面结构图和导带图。首先在半绝缘的g a a s 衬 底基片上生长g a a s a 1 g a a s 异质结，以宽禁带的a 1 g a a s 层作为势垒层，掺杂浓度通 常为1 0 1 8 c m _ 3 ，再生长一层几百埃的n + g a a s 层以利于形成欧姆接触，而未掺杂的 i n g a a s 薄层介于不掺杂的g a a s 和不惨杂的a i g a a s 层之间，在i n g a a s 和a i g a a s 之 间形成的二维电子气中的电子具有更高的迁移率速率，而且可被外界栅电压所调制。 与g a a sm e s f e t 情况相同，p h e m t 中栅极放置在源极和漏极之间的一个凹槽内，目 的在于减小接入电阻和改进器件垂直方向上的缩放比例。 当g a a sp h e m t 器件作为开关来使用时，通常把源、漏两端作为射频信号的输入 输出端，把栅当做直流电压的控制端，通过调整栅端偏置电压的大小来控制源漏间的 阻抗，从而实现开关的导通或截止状态。 8 硕士论文g s m 双频段l 1 c 天线开关模块的研究与设计 0镣崖m) a ) 横面结构图 b ) 导带图 图2 2 1g a a sp h e m t 的横截面结构图和导带图 2 2 2g a a sp h e m t 管子的等效电路模型 在进行电路设计的过程中，只有采用与整个工艺条件相对应的电路参数模型，才 能保证设计的准确性，因为不同的工艺条件和工艺流程生产相同结构的m m i c 芯片， 性能往往相距甚远。所以，对每条工艺线而言，必须要结合自身的工艺加工条件，采 用直接微波测试取模方法建立起适用于自身工艺制造技术的工程模型库，才能保证在 对应的工艺线上成功的开发各种器件，以对外提供加工服务。 下面简要的介绍一下建立模型的过程，首先，采用图2 2 2 所示的在片测试电路对 p h e m t 管子进行测量【2 1 捌。 - i 图2 2 2p h e m t 管子测试电路图 p h e m t 的源极和漏极通过微波探针接到矢量网络分析仪的两个测量端口，而栅极 通过1 5 k f 2 的隔离电阻再与直流偏置电压相连，在测得p h e m t 管子通断状态下的s 参数后，将其导出。然后通过我们熟悉的优化设计软件( 如a d s ) ，将实测参数与常 见的p h e m t 管予的等效电路模型【2 3 ，2 4 1 ( 如图2 2 3 所示) 的s 参数进行拟合，当二者 的参数无限逼近，即拟合误差近似为0 时，获得的数据可作为各元件的参数值口5 1 。 9 2 微波开关硕士论文 c c g d o c c d 8 f f l l g 3 r r ：譬。掣即 警州：郴g 3s 饷。 r i r r c ho h m m ：2 ，9 2： l l i c e m m l c - c g f fc - c g f f c ， _ 辫作! 图2 2 3p h e m t 管子等效电路模型 通过系统的测量，可以获得等效电路中各参数与栅指数的关系。表2 2 1 给出了模 型中各参数的表达式以及开态、关态的参数值，根据这些我们可以得到不同栅指数对 应的模型值，方便进行计算和设计。表中的n g f 代表栅指数。 表2 2 1 模型参数 参数开态关态单位 r c h oo 6 1 e 6 o h m c g o1 1 2 5 0 1 7 0 0 伊 参数参数表达式单位 r c h r c h = r c h o x ( 8 n g f ) o h m c g c g = c g o x ( n g f 8 ) f f n s fn s f = 0 5 n g f + i 0n a n d fn d f = 0 5 x n g fn a c p sc p s = 1 2 5 x n s ff f c p dc p d = 1 2 5 n d f伍 l s l s = ( 1 5 9 5 n s f ) + 8 0p h l d l d = ( 1 5 9 5 n d f ) + 8 0p h r d s r d s = o 8 0 5x ( 8 n g f )o h m r gr g = ( 18 5 n g f ) + 0 1 4 2xe x p ( 0 0 9 3xn g f )o h m l g l g = ( 1 0 n g f ) + 1 5 x n g fp h 2 3 微波开关的拓扑结构 2 3 1 单刀单掷微波开关1 1 4 i 1 0 1 、单管单路开关 由管子与传输线组成的单管单路开关如图2 3 1 所示。在串联电路中，器件呈低阻 硕士论文 g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 抗时，开关导通，信号沿传输线传输，反之， 相反，器件呈高阻抗时，信号可传输至负载， 全部反射。 - 一厂一 _ z d a ) 串联型 开关断路。在并联型电路中，情况正好 呈低阻抗时，电路近似短路，信号几乎 图2 3 1 单管单路开关简化图 2 、多管单路开关 实际设计中，常采用多管电路来改善开关的性能。由多个管子组成的串联开关可 增大开关的功率容量，而组成的并联开关可加大隔离度。电路如图2 3 2 所示。 ，7订 。 。： “”1 7 二二卜 二_ 一二二，一_ 二! _ 一+ 二二一二卜 二：二一j z c i 厂弋 - 一至3 二卜也 8 1 82 b ) 并联曩! 图2 3 2 多管单路开关简化图 3 、串并联开关 根据所看的端口方向不同，可以将这种开关分为两种，以两个管子的串并联为例， 电路如图2 3 3 所示。 一_ b rh芏鞭 一 矿 一 2 微波开关硕士论文 - ( 二一 z 。j 、i 一 一r _ 1 z z c i 一0 一 ：广 _ u a ) 丌一h 刈天掣b ) 一儿联“t ! 图2 3 3 串并联开关电路 4 、三种不同类型开关的性能对比 当管子选定后，开关电路的插入损耗以及隔离度将与电路的拓扑结构有很大的关 系，不同结构，获得的性能也不同。以双管为例，通常串联的插入损耗最大，而并联 的隔离是最小的，串并联不管是插入损耗还是隔离度基本都位于两者之间【2 4 1 ，所以实 际设计当中常采用串并联的结构来获取折中的性能。 2 3 2 单刀多掷微波开关 单刀双掷开关是最普通但又最常用的单刀多掷开关，它把信号来回切换形成交替 工作的两条微波通路，本论文研究的天线开关模块就是用单刀双掷开关来选择发射信 号还是接收信号。 单刀多掷开关则是一个端口输入，多个端口输出，输出端口可由多个单刀单掷开 关组成，也可由多个串并联开关组成。 2 4 基于p h e m t 的单片微波开关的设计与实现 2 4 1 开关的技术指标 单刀双掷开关是天线模块中不可缺少的一部分，且作为常见的m m i c 微波电路， 具有电路损耗小、频带宽、噪声低、抗电磁辐射能力强等特点。由于时间和技术的限 制，本论文将重点放在了l t c c 组件的设计上，单刀双掷开关则由国内某研究所提供。 在设计之初还没有该开关的性能参数，为此根据上节所给出的器件模型，结合已知的 拓扑结构和研究所初步提供的开关技术指标，自行设计了一款单刀双掷开关，以用在 天线开关模块的初始原理图仿真中。研究所初步提供的开关技术指标如表2 4 1 所示。 表2 4 1 开关技术指标 特性频率( g h z )最小典型最大单位 0 1 1 00 40 5d b 1 0 2 o 0 5 0 6d b 插损 2 0 2 5 0 60 7 d b 0 1 1 o2 83 0d b 1 0 2 02 42 6d b 隔离度 2 0 2 52 02 2 d b 驻波比 0 1 2 。51 2 ：l1 4 ：1 1 2 t 硕士论文 g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 2 4 2p h e m ts p i ) t 微波开关的原理图设计与仿真 常见的m m i c 开关拓扑结构l 2 6 - 3 0 有三种，一是由两个串联的单刀单掷( s p s t ) 微 波开关并接在开关接头上而组成，第二种就是由两个串并混联的s p s t 微波开关并接 在开关接头上而组成，表2 4 1 中的开关是由两个电压进行控制，具有高隔离，尺寸小， 承受功率大等特点。而获得高的隔离度一般采取串并联的支路并接在输入端口上【2 5 1 。 因此图2 4 1 给出了这种常见的串并联结构的开关拓扑结构。 图2 4 1 串并联式微波开关简易拓扑结构 信号从端口一进入，此时左侧管子加高电压导通，信号顺利通过，因而在端口一 和端口二之间形成通路。当右侧管子加高电压时，情况刚好相反，信号从端口三输出， 端d - - 截止。构成了一个简单的串并联型单刀双掷开关电路。 第三种就是在串并联的基础上再并联多个s p s t 微波开关，可以进一步提高开关的 隔离度，当然并联的越多，插入损耗也会变得越大，需要折中选取。而本论文选用的 开关属于吸收型，因此在拓扑结构上需要略做修改，如图2 4 2 所示。 图2 4 2 吸收型开关简易拓扑结构 我们对输出端进行了相应的调整，在临近两个输出端口的p h e m t 管子上都并联 了一个5 0 欧姆左右的电阻。当某一个管子加高电压导通时，这个管子所在的支路也相 应的形成通路，此时输出端的驻波比将会很小。而当这个管子截止时，相应的分支上 并联的管子则为导通状态，若信号从该输出端口输入，此时信号通过并联的电阻和分 支上导通的管子与地相连，对于微波信号而言短路时信号将全部反射，但由于并联的 电阻起到了吸收信号的作用且其阻值与端口阻抗大致匹配，因此，将很少有信号反射 1 3 1 4 孟盆2 2 世 p “- _ - - - _ 乃c ，】c o - _ - - ，一 d 嘞 口o 。o 峨c - , h z a ) s 参数 硕士论文g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 1 1 4 1 1 2 1 1 0 1 0 8 1 0 6 1 0 4 ，_ ， l 、j 、- 1 h lillil iiiilil f r e q 。g h z b ) 驻波比参数图 图2 4 4 单刀双掷开关1 性能 通过观察可以看出，该拓扑结构的插入损耗要大于所给的技术指标，同时隔离度 和输入输出驻波比又远远好于指标要求。为了变成吸收式开关而在两个输出端口上多 增加的p h e m t 管子导致了插入损耗的增大，同时单纯的串并联结构又使得开关的隔 离度远远好于指标。因此，该拓扑结构无论是从结构的简易程度还是技术指标方面来 说都不适合用在原理图的设计当中。 如何既简化模型又符合吸收式开关的要求是选择拓扑结构所遇到的难题，既然图 2 4 3 所示的拓扑结构过于复杂，那么只能去掉临近两个输出端口的p h e m t 管子，而 要符合吸收式的要求，则只能在并联接地的两个管子上进行修改，最终获得了另外一 种吸收式开关的拓扑结构，其原理图如2 4 5 所示。 图2 4 5 单刀双掷开关2 原理图 由图可以发现并联的p h e m t 管子与一个5 0 欧姆左右的电阻串联然后再接地，以 1 5 i叱；n叱n 叱 2 微波开关硕士论文 此形成了吸收式开关的拓扑结构。当图2 4 5 中左侧支路中并联的p h e m t 管子截止时， 整个左侧支路导通，回波损耗很小；当左侧并联的p h e m t 管子导通时，若信号从输 出端口输入，此时信号通过与管子串联的电阻时能量被其吸收，回波损耗很小，因此 输出端口的驻波比与支路导通时的相比差距不大，符合吸收型开关的要求。此外该拓 扑结构简单明了，管子数目较少，易于用很小的尺寸来实现。图2 4 6 给出了该拓扑结 构的性能参数图。 1 6 l l l m 4 i t3v ! ，： _ _ - _ _ _ 一一歹7 。 ， ， 一 、 0 00 51 01 52 02 53 0 f r e q ，g h z a ) s 参数性能图 诊。 ， 乡夕。 一 一 乡 一 一 卜 一 夕 _ 一 t ； 一 ， ： 一 ， 一 一 、 0 00 51 01 52 02 53 0 f r e q ，g h z b ) 驻波比曲线 图2 4 6 单刀双掷开关2 性能 一一ro一d一一nl)一刁一一no一篮 硕士论文 g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 由上图可以看出，原理图仿真结果与技术指标大致相符，用于整个模块的原理图 设计当中将比较合适。将单刀双掷开关与l t c c 组件联合进行原理图的设计有助于从 整体来考虑问题，从而提前解决组合、建模和阻抗匹配等方面的具体问题，以便减少 后续组装的难度。 由于到目前为止合作的研究所设计的产品还处在加工当中，没能获得实测的技术 指标，所以还是用上文自行设计的开关加入到原理图中进行设计，虽然会有偏差，但 整个设计流程的走通使本人积累了更多的设计经验，同时对设计当中存在的问题也有 所了解。等到开关实际产品的提供，这个研究课题将会有飞快的进展，这一切将由教 研组的后来人员进行负责，相信不久的将来，定能设计出一款真正自主研发的天线开 关模块。 1 7 3 滤波器的基本原理硕士论文 3 滤波器的基本原理 微波滤波器是微波工程中重要的微波器件之一，可利用它们来分开或组合不同的 频率，实现各种信号的处理过程，因而在微波射频电路与系统中得到了广泛的应用。 滤波器的种类很多，虽然它们的设计方法也各有不同之处，但是这些设计方法仍是以 低频“综合法滤波器设计 为基础，再从中演变而成，本节的主要内容就是从滤波器 的主要技术指标出发，简要的介绍滤波器的种类，以及在设计时如何通过选取，变换 等一系列流程进行滤波器的设计。 3 1 滤波器的分类及主要技术指标 3 1 1 滤波器主要的技术指标 滤波器的技术指标主要有以下几项p 1 ，3 2 】： ( 1 ) 插入损耗：理想的滤波器不会在通带内引入任何的功率损耗。然而，在实际工 程设计中，我们无法完全消除滤波器固有的某种程度的功率损耗，因此插入损耗定量 的描述了功率响应幅度与0 d b 基准的差值。其数学表达式为： i l = 1 0 l o g 詈= - 1 0 l o g ( 1 一i r 胁l ) ( 3 1 ) n 州- 7 、 其中，e 是滤波器流向负载的输出功率，最是滤波器从信号源得到的输入功率， i r 坍i 是从信号源向滤波器看去的反射系数。 对于两端1 2 1 网络而言，其插入损耗a 定义为：网络输出端接匹配负载时，网络输 入端的入射功率圪和负载吸收功率咒之比。即： 肚鸶2 齑 0 2 乞阮1 2 、。 因此滤波器的插入损耗也可以用s 1 来重新定义： i l = 1 0 1 0 9 卺= 1 0 1 0 9 击= - 1 0 1 0 9 阱 3 ， ( 2 ) 驻波系数( v s w r ) p 定义为沿线合成电压( 或电流) 的最大值和最小值之比， 反映的是端1 2 1 反射波的大小情况。驻波系数与反射系数| r | 的关系为： 1 + l r l 旷甜 0 4 ) 另一方面，当输入端口2 接匹配负载时，i & 。i 参量与l 端口的反射系数i r 。i 满足如 下关系： s l l = r l ( 3 5 ) 因此我们可用s ；l 重新定义1 端e l 的驻波系数为： 硕士论文g s m 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 p = 制 ， 。司甜 3 石)