开关与移相器课件

1、 开关开关 构成开关的器件有铁氧体、构成开关的器件有铁氧体、PINPIN管、管、 FETFET或或BJTBJT。铁氧体和。铁氧体和PINPIN是经典的开关器件是经典的开关器件, ,铁铁氧体的特点是功率大、插损小氧体的特点是功率大、插损小,PIN,PIN的特点是的特点是快速快速, ,成本低。成本低。FETFET或或BJTBJT有增益有增益, ,已经成为中、已经成为中、小功率开关的主要器件。小功率开关的主要器件。开关与移相器开关与移相器表表1 1 开关器件的性能比较开关器件的性能比较1. 1. 开关的基本原理开关的基本原理 1) 1) 开关器件原理开关器件原理 铁氧体开关的原理是改变偏置磁场方向铁

2、氧体开关的原理是改变偏置磁场方向, ,实现导磁率的改变实现导磁率的改变, ,以改变信号的传输常数以改变信号的传输常数, , 达到开关目的。达到开关目的。PINPIN管在正反向低频信号作用管在正反向低频信号作用下下, ,对微波信号有开关作用。正向偏置时对微对微波信号有开关作用。正向偏置时对微波信号的衰减很小（波信号的衰减很小（0.5dB0.5dB）, ,反向偏置时对微反向偏置时对微波信号的衰减很大（波信号的衰减很大（25dB25dB）。）。BJTBJT和和FETFET开关以基极（栅极）的控制信开关以基极（栅极）的控制信号决定集电极（漏极）和发射极（源极）号决定集电极（漏极）和发射极（源极）的通断

3、。放大器有增益的通断。放大器有增益, ,反向隔离大反向隔离大, ,特别特别适合于适合于MMICMMIC开关。开关。MEMSMEMS微机电器件也可以用作开关器件。微机电器件也可以用作开关器件。2) 2) 微波开关电路微波开关电路开关器件与微波传输线的结合构成微波开关组开关器件与微波传输线的结合构成微波开关组件。以件。以PINPIN和和MESFETMESFET为例。其中为例。其中MESFETMESFET工作在无源工作在无源模式。开关按照接口数量定义模式。开关按照接口数量定义, ,代号为代号为PT,PT,如单刀如单刀单掷单掷(SPST)(SPST)、单刀双掷（、单刀双掷（SPDTSPDT）、双刀双掷

4、）、双刀双掷（DPDTDPDT）、单刀六掷（）、单刀六掷（SP6TSP6T）等。）等。 封装后封装后pinpin二极管等效电路二极管等效电路G Ga aA As s MESFET MESFET 在低阻时（栅极在低阻时（栅极0 0偏）等效阻值约偏）等效阻值约2.52.5G Ga aA As s MESFET MESFET 在高阻时（栅极偏压不低于夹断电压）在高阻时（栅极偏压不低于夹断电压）无源模式无源模式MESFETMESFET的器件结构和高阻态等效电路的器件结构和高阻态等效电路无源模式无源模式MESFETMESFET的高阻态等效电路和简化电路的高阻态等效电路和简化电路典型值：典型值：C Cof

5、foff 0.2pF 0.2pFR Roffoff 2k 2k开关设计：开关设计：串联结构和等效电路串联结构和等效电路22000111()()44RRXILZZZ 插入损耗和隔离度插入损耗和隔离度注：键合带有电感注：键合带有电感并联结构和等效电路并联结构和等效电路22000111()()44GGBILYYZ 插入损耗和隔离度插入损耗和隔离度举例：举例：0.05ILdBMA47892MA47892：工作在：工作在3.18GHz3.18GHz时，正向偏置为时，正向偏置为0.4+j6;0.4+j6; 反向偏置为反向偏置为0.5-j440.5-j44串联时：串联时：并联时：并联时：0.805IdB1.

6、26ILdB12.75IdBMA47899MA47899：工作在：工作在3.18GHz3.18GHz时，正向偏置为时，正向偏置为1+j6;1+j6; 反向偏置为反向偏置为4-j4944-j4940.1ILdB串联时：串联时：并联时：并联时：14.06IdB0.029ILdB12.84IdB器件电抗补偿器件电抗补偿以并联安装为例，以并联安装为例，在高阻态下，可以在高阻态下，可以一高阻和一小电容一高阻和一小电容并联来等效，总导并联来等效，总导纳可用一感性电纳纳可用一感性电纳来降低来降低20011()4GGILYY 插入损耗和隔离度改插入损耗和隔离度改写为：写为：注：这种补偿是容易的，因为在漏源间注

7、：这种补偿是容易的，因为在漏源间没有直流电位差没有直流电位差举例：举例：0.0563ILdBMA47892MA47892：未补偿时：未补偿时：补偿时：补偿时：1.26ILdB 栅极栅极GaAs MESFET GaAs MESFET ：工作在：工作在10GHz10GHz时，时，R Roffoff=3k, C=3k, Coffoff=0.25pF=0.25pF0.69ILdB21 1000 m0.0721ILdB未补偿时：未补偿时：补偿时：补偿时：(a) (a) 并联型并联型; (b) ; (b) 串联型串联型 单刀双掷（单刀双掷（SPDTSPDT）开关：）开关：利用利用MESFETMESFET作

8、为并联安装作为并联安装SPDTSPDT开关的一个例子，开关的一个例子，频率频率10GHz10GHz串、并联开关结构串、并联开关结构图示为图示为SP3TSP3T开关的微带结构开关的微带结构注：注：“通通”态时，态时，Z Zsese为低阻为低阻Z Zl l，Z Zshsh为高阻为高阻Z Zh h； 反之，反之，“断断”态时，态时， Z Zsese为高阻为高阻Z Zh h，Z Zshsh为低阻为低阻Z Zl l最简串并联复合开关结构及最简串并联复合开关结构及等效电路等效电路2000()()122hlhZZZZILZ Z插入损耗：插入损耗：2000()()122hllZZZZZ Z隔离度隔离度：隔离度

9、：注：串、并联开关在隔离度上有了很大改善，在插损注：串、并联开关在隔离度上有了很大改善，在插损上比串联开关好是因为它降低了反射损耗上比串联开关好是因为它降低了反射损耗宽带串并开关结构宽带串并开关结构通态时像低通滤波器，断态时像高通滤波器通态时像低通滤波器，断态时像高通滤波器如上图示，对于通态如上图示，对于通态对于断态对于断态仿真练习：设计一开关仿真练习：设计一开关开关结构：开关结构： SPDT 驻波比：驻波比： 1.25频率：频率： 5-6GHz 插入损耗：插入损耗： 2dB隔离度：隔离度： 40dB开关速度：开关速度：测量开关速度的实验设备测量开关速度的实验设备开通延时、开通开关、关断延时、

10、关断开关开通延时、开通开关、关断延时、关断开关各项有关开关速度的术语各项有关开关速度的术语影响开关速度的因素影响开关速度的因素1 1、开关器件、开关器件 本征层宽度、载流子迁移率、耐功率能力本征层宽度、载流子迁移率、耐功率能力 2 2、偏置网络、偏置网络 移相器移相器 在通信系统中在通信系统中, ,调相是对微波信号相位的控制调相是对微波信号相位的控制, ,在雷达系统中在雷达系统中, ,相控阵天线是要控制送入天线阵每相控阵天线是要控制送入天线阵每个单元信号的相位个单元信号的相位, ,实现天线波束的调整。这些相实现天线波束的调整。这些相位控制电路就是移相器。铁氧体、位控制电路就是移相器。铁氧体、P

11、INPIN、BJTBJT、FETFET或或MEMSMEMS器件都可以构成相移器。器件都可以构成相移器。各种微波移相器类型各种微波移相器类型 开关线型移相器开关线型移相器 等效电路等效电路 )(221llg偏离中心频率时插损偏离中心频率时插损和相移也变化和相移也变化 避免的办法：合适选避免的办法：合适选择传输线的长度，或择传输线的长度，或开路端接匹配负载开路端接匹配负载加载线型移相器加载线型移相器 引入电纳引入电纳B B，透射波与入射波相比，相位延迟，缺点，透射波与入射波相比，相位延迟，缺点是有反射，是有反射，b b为归一化电纳为归一化电纳 改进：改进： 3126ettBZBZ等效传输线电长度：

12、等效传输线电长度：加载线型移相器结构加载线型移相器结构 主线安装类型加载线移相器主线安装类型加载线移相器短截线安装类型加载线移相器短截线安装类型加载线移相器接地孔Y0输入Y01Y02Y02Y0输出偏置(a)(b)22.54590180反射型移相器反射型移相器 通过环流器或混通过环流器或混合接头将单端口合接头将单端口转换成二端口转换成二端口混合接头优于环形器：混合接头优于环形器：1.1.在在MICMIC和和MMICMMIC中更容易集中更容易集成成 2.2.用了两个开关器件，耐功率能力提高用了两个开关器件，耐功率能力提高2 2倍倍2t3 dB 耦合器outoutinin2tSPST 开关短路端(a)(b)开关网开关网络型移络型移相器相器用于开关网络移相器用于开关网络移相器的低通和高通滤波器的低通和高通滤波器开关线型移相器是开关线型移相器是开关网络移相器的开关网络移相器的特殊情况，但开关特殊情况，但开关网络移相器能实现网络移相器能实现更宽的频带或获得更宽的频带或获得希望的频率响应。希望的频率响应。移相移相若用若用型结构代替型结构代替前面前面T T型结