ka波段单刀单掷开关设计

1、 摘要摘要毫米波段的单刀单掷开关是MIC（MonolitlucIntegratedCircuit:单片式集成电路）控制电路的基本器件，作用是控制传输系统中微波信号的通断。典型的应用于微波信号源用的脉冲调制器。本文介绍了一种单刀单掷开关的设计过程。论文首先对PIN开关的理论，分析方法，模型的建立以及实际电路的制作等方面进行了一定的研究，其次采用单片集成电路实际制作了一个Ka波段单刀单掷PIN开关。经测试，该开关具有插入损耗低，隔离度好的特性，同时，论文还通过微波软件ADS优化仿真了一个双PIN二极管并联型的单刀单掷开关，仿真结果为在工作频率为34GHz-36GHz,开关的插入损耗小于1.5dB,

2、隔离大于21dBo关键字：毫米波、Ka波段、单刀单掷开关、微带、PIN二极管ABSTRACTABSTRACTMillimeter-waveSPSTswitchisthebasicdevicetocontrolcircuitMIC(MonolithicIntegratedCircuit),theroleistocontrolthemicrowavesignaloftransmissionsystemoff.Ittypicallyusedmpulsemodulatorofmiciowavesignalsource.ThispaperpresentsaSPSTswitchdesignprocessF

3、irstly,thetheoryofPINswitch,analyticalmethods,theciicuitmodelandtheactualpioductionandotheraspectsdosomereseaicli.Secondly,makmgtheactualproductionoftheKa-bandSPSTswitchbyMonolithicIntegratedCucuitAftertesting,theswitchliasgoodcharactensticsoflowmseilionlossandlugliisolationAtthesametune,thepaperals

4、ooptimizedandsimulatedatwoshuntPINdiodeSPSTswitchbynuciowavesoftwareADSThesimulationresultsforthefiequencyat34GHz36GHz,theinsertionlossislessthan1.5dBandisolationisgieateithan21dBKeyWords:nullimetei-wave,Ka-band,SPST,niiciostnp,PIN目录目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 第1章引言1 HYPERLINK l bookmark6

5、1.1选题背景11.2国内外发展现状和研究趋势2 HYPERLINK l bookmark8 1.3本设计的意义和价值3 HYPERLINK l bookmark10 第2章研究的理论基础52.1微带线【14卜175PIN开关原理122.2.1PIN二极管”卜20122.2.2微波开关的主要参数142.2.3PIN二极管的选择152.2.4单刀单掷开关的工作原理22H2415225改善开关性能的儿种电路17 HYPERLINK l bookmark18 第3章KA波段单刀单掷开关设计213.1SPST开关的设计21SPST开关的ADS仿真223.2.1仿真软件ADS223.2.2整体电路的拓扑

6、结构23323微带线PIN管SPST开关仿真结果及分析25第4章SPST实物制作和测试284.1SPST实物制作28 HYPERLINK l bookmark22 4.2微带线PIN管SPST开关的实物测试31SPST的改进36 HYPERLINK l bookmark24 结束语37 HYPERLINK l bookmark26 参考文献38 HYPERLINK l bookmark52 致谢40 HYPERLINK l bookmark54 外文资料原文41 HYPERLINK l bookmark56 翻译文稿47电子科技大学学士学位论文 第1草弓I言第1章引言1.1选题背景毫米波元器件

7、沿着波导电路一混合集成电路一单片集成电路的方向发展着。毫米波开关也不例外。从混合集成的PIN开关到易于与其它部件进行单片集成的AsGa,FET,HEMT开关，毫米波开关的理论、电路结构都日益完善和成熟起來。PIN二极管由于其正反向短路、开路特性好，微波损耗小，可由小的直流功率控制较大的射频功率，因此在九十年代及之前就一直保持着霸主的地位。直至今日，仍经常在毫米波开关电路中出现。在混合集成电路方面，1986年，RSTahim报道了W波段微带PIN单刀单掷和单刀双掷开关，从90100GHz,插入损耗小于2dB,隔离大于15dB【i】。1988年，徳国AEG的HeumchJ.Callsen等人采用鳍

8、线制作了一系列的PIN开关。其单刀单掷开关和单刀双掷开关在直到100GHz以上都有良好的性能，所制作的单刀三掷开关在V波段(5575GHz)插入损耗小于2.5dB,隔离大于25dB,充分利用了鳍线并联PIN开关的优点2】。随着半导体理论与工艺的发展，单片集成电路蓬勃地发展起來。FET开关也因易与MMIC电路集成，而越来越多地被人们所关注。FET做开关使用时，它的栅极作为控制电压的输入端。典型的开关特性是：负偏压时，栅偏压大于截止电压，对应于高阻抗状态，漏源断开；零栅压时，对应低阻抗状态，漏源导通习。考虑到FET栅极和源极之间的电容会影响到开关的隔离度，许多人对此问题进行了研究,大致的改进方案有

9、以下几种：一是采用谐振的方式，使栅极和源极之间的电容与高阻抗线产生谐振，从而有效地提高开关的隔离度。但是谐振的方式仅适用于窄频带的开关电路，对于宽带设计的开关并不适用。二是采用阻抗变换网络的概念，通过在并联FET开关的FET和主微带线之间加入带有匹配支节的高阻线，使FET在高、低两种阻抗状态同主线均能实现阻抗匹配，从而在较宽频带范围内提高开关的隔离度卩】。三是从工艺上改变有源电路的结构。一种叫作欧姆电极共用技术(OlmucElectrode-SharmgTeclmologv,OEST)将相邻串、并联的两只FET具有共同电压的电极合为一个，从而在保证宽带性能的同时，极大地缩小了芯片的面积7】。改

10、变FET结构，可以改变传统的并联FET开关源极需要两个接地孔來接地的情况，从而获得较小的寄生参量，提高开关电路的性能。另外，还有一些其它的技术，例如利用lange耦合器的相位消除技术，也可以在窄带内得到较高的隔离度，但是因为需要釆用3个90的电桥，电路面积较大。1.2国内外发展现状和研究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PIN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Hughes公司和Alpha公司的高速PIN开关，它们将8mm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

11、的代码调制器。国外8mm波段的PIN二极管和8mm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10ns的PIN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，我国做出了晶体开关等各种微波控制电路，但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PIN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。但总体來讲，国内开关仍与国外有着一定的差距，我国想要做出更速度的开关，其首要问题就是要对关键器件PIN二极管进行研制。

12、对于国内的毫米波开关，二十三所在研制和开发上也取得了一定的成绩。在2737GHz范围内，该所研制的开关做到了插入衰减W0.5dB,隔离度$20dB;5060GHz范围做到插入衰减WldB,隔离度215dB。二十三所还研制了三态开关，即在原两态开关中加上个零态，零态时可做功分器使用。这种开关与扭曲波导、相移器、合成器等组成闭环系统，输入信号经这一系统在输出端可得到水平垂直以及合成的旋转极化信号，可以代替馈源中变极化器的作用，这是一种大有实用前途的装置，由它组装成的变极化器也令人满意。随着毫米波技术的进一步发展，毫米波开关开始趋于多样化的结构，可适应不同系统发展需要的各种类型的毫米波开关相继产生。

13、在8mm波段系统中，有时需要使用造价低，带宽也不一定很宽的开关，脊波导开关就是这样一种开关，它在设计原理性与鳍线开关类似，也是由PIN管、单脊波导和阻抗变换段组成，其性能在3437GHz频带内，隔离度31dB,插入损耗3dB,在实际装备上具有一定的实用价值。利用铁氧体器件则可以构成铁氧体锁式开关。这种开关与PIN开关相比，具有高可靠性，高功率容量和低的驻波系数等优点。这种锁式开关多用在波束形成网络、相阵天线、收发公用系统及有关的各种电路中，多为单极双掷(SP2T)第1章引言的形式。一些超轻型开关也已面世，在90100GHz,釆用铝腔和电成型腔体做出的开关仅重14.3克、8.5克、3.5克以及不

14、包括驱动器3.5克等，这种开关非常适用于军用和空间技术。迄今为止，在毫米波低端，国外的单片集成电路从单刀单掷开关到单刀八掷开关，都有了系列化的产品。典型的如，MA-COM公司的MA4AGSM#系列，釆用的是AlGaAs材料的异质结PIN管串并联开关结构，从50MHz到50GHz都得到了良好的性能。其单刀三掷开关MA4AGSM3,在50GHz时，插入损耗为0.8dB,隔离度为31dBo在毫米波高端，也有关于相应开关产品的报道。A.Klaassen制作了采用0.25uniGaAsMESFET技术制作了肖特基二极管开关，其单刀双掷开关在69GHz85GHz,插入损耗小于2dB,隔离度大于20dB】；

15、单刀三掷开关在77GHz时，插入损耗小于2.5dB,隔离度大于20dB。1997年,MichaelCase等人制作了W波段GaAsPIN单刀三掷开关，釆用的是MMIC工艺的共面波导结构，在75GHz85GHz之间，插入损耗小于1.5dB,隔离度大于16dB；在75GHz110GHz之间，插入损耗小于1.6dBZ】。小型化、高功率和高可靠性是毫米波开关发展的必然趋势。微机电系统（Micro-Electron-Mechamcal-System,MEMS）以其体积小，可靠性高，己经走入了毫米波的舞台。MEMS开关釆用表面微加工工艺制作,可以利用Si、GaAs、石英等作为介质。MEMS开关的两种基本形

16、式为串联和并联。串联MEMS开关常应用于0.1GHz40GHz的频段范围，可以在射频频段获得较好的隔离。并联MEMS开关适于更高频段的应用（5GHz100GHz）,设计较好的MEMS开关可以得到极低的插入损耗（5GHz50GHz范围内，约为0.04dB0.ldB）和较高的隔离度（10GHz50GHz范围内，大于20dB）】。不同的材料、不同的工艺使得MEMS开关的种类极为丰富。MEMS开关在可组装天线和集成电路应用中很具有吸引力的器件，广泛应用于微波、毫米波集成电路，作为微波通讯中的信号路径转换，阻抗匹配网络和可调放大器等使用旧】。1.3本设计的意义和价值在微波毫米波技术领域中，要对电路参量进

17、行控制得场合很多，例如控制电路的通断、衰减量的大小、相移量的多少等等。制时要求迅速而准确，这是用机械方法所难以做到的。最初的典型微波控制电路是无线收发开关。五十年代，利用微波半导体二极管的阻抗随外加偏压变化的特性做成各种微波控制电路，如晶体开关、晶体调制器。六十年代以后，各种新的控制器件，如PIN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，同时由于把微波固电子科技大学学士学位论文第2章研究的理论基础 体器件和微带电路相结合而构成微带固体控制电路，其结构紧凑，且由于工艺上的不断完善，由安装而引入的寄生参量，如引线电感、管壳电容等的影响都非常小，因而进一步改善了微波控制电路的

18、电性能。目前特别是在雷达接收前端和精确制导方面要求器件的小型化，所以本课题用便于集成的微带做开关，这样有利于器件的进一步小型化。而且毫米波开关是毫米波多信道系统中的重要部件，广泛应用于多波束雷达、相控阵雷达、电子对抗技术等方面，在毫米波设备与系统中起着重要作用。其损耗的大小，直接影响着整个系统的噪声性能；其隔离的程度，也直接决定了系统各信道间的隔离度。因此，低损耗、高隔离、高功率容量以及很短开关时间的毫米波开关对毫米波系统级设计有着重要的意义。在我国，由于在技术上、工艺上同国外都存在着一定的差距，毫米波单刀多掷开关这一部件发展还未成熟。因此，利用国内比较成熟的混合集成电路，和比较价廉的PIN二

19、极管，研制毫米波段单刀单掷开关有着一定的实际意义。第2章研究的理论基础2.1微带线HE微带线是适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，相继出现了各种类型的微带线。一般用薄膜工艺制造。介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。微带线是一种重要的微波传输线，其结构如下图2-1所示。它是由介质基片上的导带和基片下面的接地板构成。微带线容易实现微带电路的小型化和集成化，所以微带线在微波集成电路中获得

20、了广泛的应用。过去，很多毫米波集成电路设计师都认为微带不可能成功地用作60GHz以上的混合集成电路。然而近年低寄生梁式GaAs半导体器件的出现导致混合集成电路研制活动的增长，其焦点集中在如何将常规微带技术的工作频率提高到110GHz。这种创新活动己经在94GHz附近的z向切割单晶石英混合集成电路中获得极好的结果。目前，采用高质量熔融硅和z向切割单晶石英基片制作，频率高达140GHz的低噪声混频器和其他混合集成部件已是极为寻常之事。在60GHz以上频段，微带Q值开始大幅度下降，但它仍足以支撑很多有用部件的研制工作。微带的主要缺点是在60GHz到140GHz频率范围内，电路所需的基片厚度极薄，小于

21、0.2niiii厚的基片己是人们公认的结论。即使采用低介电常数材料，如熔融硅时也是如此。微带线可看作是由平行双线演变而來的，如图2-7所示:（C）图2-2微带线的演变空气介质的微带线存在无色散的TEM模。但实际上的微带线是制作在介质基片上的，虽然它仍然是双导体系统，但由于存在空气和介质的分界面，这就使得问题复杂化。利用电磁场理论可以证明，在两种不同介质的传输系统中，不可能存在单纯的TEM模，而只能存在TE模和TM模的混合模。但在微波波段的低频端，由于场的色散现象很弱，传输模式类似于TEM模，故称为准TEM模。在微波波段微带线一般工作在弱色散区，因此把微带线的工作模式当作TEM模來分析，这种分析

22、方法称为“准静态分析法”。TEM模传输线的特性阻抗：？1听。(2-1)对于空气微带线，微带线中传输TEM模的相速vp=v0（光速），并假设它的单位长度分布电容为c01,则其特性阻抗为：011V0C01(2-2)当微带线的周围全部用相对介电常数为6的介质填充时。此时微带线TEM模的相速为v产vj賦，其单位长度分布电容为Co=C01,则其特性阻抗为：(2-3)相速度是波前或者波的形状沿导波系统纵向所表现出來的速度，微带线中传输波的相速范围：(2-4)电子科技大学学士学位论文第2章研究的理论基础第2章研究的理论基础 0 单位长度分布电容范围：C01C0erCQl(2-5)特性阻抗范围：z01/Vzo

23、2W眉2h賦Amin一1minVr就可保证微带线中主要传输TEM模。对传输线來说，除了其特性阻抗和有效介电常数是必须考虑的重要参量之外,它的传输损耗、功率容量和品质因数在一定场合也是必须考虑的重要参量。传输线上一般存在三种损耗，这就是由导体导电率的不理想引入的导体损耗，由介质不理想引入的介质损耗和由传输过程中向外辐射能量引入的辐射损耗。这些损耗通常用它们对应的衰减常数來表征。对于微带线，其功率损耗主要由两个因素造成，一是导体的有限电导率引入的导体损耗，我们以乙表示；二是介质基片引入的介质损耗，我们用表示。当然，由于微带电路中经常出现的不连续性也必然存在以乙表征的辐射损耗。由于面对的情况各异，对

24、辐射损耗的定量研究至今还没有一种可靠的表达式可用。因此本节只针对匕和-作些讨论。文献已对这些损耗作了综合讨论。一般来说，鉴于微带中场的准确分布目前尚不清楚，因而通常在矩形波导中计算导体损耗的方法，即(2-15)不能在此应用。但在100GHz以下频段，建立在“增量电感法则”基础上的近似方法足以用來描述微带中的导体损耗，而有效损耗角正切方法则可用來准确描述介质损耗5。微带导体损耗的一种近似表达可以写为：Mae(dB/单位长度)(2-16)式中1+21+21+1-1.25/F兰W丄h2龙w1h2兀ww1.25tzi.4/zhw1=+(1+ln)hhnhth2兀以及R；=/?11+|arctan1.4

25、()2(2-17)(2-18)式中丘是导体的表面电阻系数；5为其集肤深度；是表面不平度的均方根值。由于在毫米波频段只有十分之儿微米，因而电路表面不平度至少应维持在应大于45。介质损耗的近似表达式由下给出。即/55b0.1pm以下才能保证微带线中的导体损耗值比较低。增量电感法则要求导体厚度-(dB/单位长度)=27.3為年罕詈(-0.2303ac)(W/m)巴=1-阿(-0.2303ad)(W/m)(2-26)式中签和都以dB/m计；7_是基片的最高工作温度込恥工作区环境温度；Z：为以空气取代介质时微带线的特性阻抗；。为自由空间导磁率;K是基片的热传导系数。微带线中的峰值功率容量可以用不产生介质

26、击穿的最高峰值电压來确定，一般用PPHC符号表示。如果微带的特性阻抗为Zc,它可承受的最大电压用Vo=Eh表示，那么，其对应的峰值功率就是y-P=5-2ZC(2-27)显然，对同样的击穿电压，基片愈厚可承受的电压就愈高。因此，低阻线和厚基片电路就具有较高的PPHC值。此外，在扁平导体条带中，由于条带导体的陡变边缘集中有比较强的电场，而且随导体边缘陡度的改善此电场的集中就将减弱，因此厚而圆滑的导体条带将有助于提高击穿电压，从而提高微带的峰值功率容量。基片材料的介质强度对介质击穿也起着重要作用。众所周知，干燥空气的击穿强度大约为29kV/cnio因此，在靠近电路边缘的最大电场不允许超过29kV/c

27、nio为了避免电路边缘的空气击穿，可以在导体条带边缘涂上一层介质漆。但应注意，介质绝缘漆的介电常数应与基片的介电常数相同或相近，而且最好是无耗的。在表2-1中，我们列出了毫米波频段常用的一些介质基片特性。由此可见,熔融石英材料具有最大的介质强度。表2-1亳米波频段常用基片特性特性(25C时)CulfIonRT-duriod5880熔融石英陶瓷Er89.8tanS0.00050.0010.00010.0002适用温度范围-55175-2726011001600热传导系数/W(mK)-10.251.036.7热澎涨系数/c10-15.5X10-76.7X10介质强度/kv(mm)

28、78.711.8(短期)1007.9最小厚度/mm0.0250.10.050.125最小金属厚度/mm0.0120.0150.00250.0025机械性能好好很差很差可焊性好好好好价格便宜便宜极贵贵在前面有关损耗问题的讨论中，我们已将微带线中的导体损耗和介质损耗通过衰减常数来表示，并给出了一些近似计算公式。在那里，我们回避了微带中的辐射损耗问题，这是因为微带中的辐射自然和电路的电磁场分布相关，而准确的电磁场量表达式至今尚未见到，因而要从衰减的角度来讨论微带中的辐射问题，其难度是显而易见的。微带中的辐射问题是客观存在的，而且有时还十分重要。事实上，微带本身是一种开放式结构，而且将其制作成电路时必

29、然会遇到大量的不连续性问题，这些都不允许我们舍其辐射而不谈。作为一种研究方法，我们可以通过研究特定线长度的谐振器來考虑其辐射损耗。在微波技术中我们己经知道,一个谐振电路的品质因数可以把电路中的总损耗联系起來，即(2-28)式中卩=2也人=2兀尻以。在我们研究一段长度为2/2的谐振器时，就必须考虑由开端和不连续性引入的另一个损耗因子，即式(3.44)中的听不只包含了乙和S，它还包含了辐射损耗引入的衰减常数6。谐振器的品质因数可以表示为(2-29)111111一_1_1_1QSoQrQc0/Qr这里的O，Qd和0分别为导体损耗，介质损耗和辐射损耗所对应的品质因数。0称为电路品质因数或固有品质因数，

30、其数值可以通过下式求得(2-30)_兀代(/)几0(乙+勺)品质因数0则可按如下关系给出:(2-31)式中乙(/)2乙(/)严(2-32)对一个给定频率，存在一个保证电路Q值最大的最佳基片厚度。基片的最佳厚度随频率升高而下降，而且随基片介电常数的减小而减小。2.2PIN开关原理2.2.1PIN二极管181920PIN二极管是在重掺杂的M和P十中间夹一层宽度较大的不掺杂的本征层。本征层(乂叫做I层)将使二极管极间电容减小，击穿电压提高。中间层的厚度为1-100Um,这取决于应用要求和频率范围。在电压是正向时，二极管就像是一个由所加电流控制的可变电阻器。然而在反向电压时，低掺杂的内层产生空间电荷,

31、其区域达到高掺杂的外层。这种效应即使在小的反向电压下也会发生，知道高电压下基本保持恒定，其结果使二极管表现为类似于平行板电容器。PIN二极管的等效电路如图2-4所示(c)(b)图24PIN二极管的简化电路：(a)未加偏压；(b)零偏与反偏：(c)较大正偏图中Rs为体电阻和欧姆接触电阻，Rj为I层电阻，当Rf1/coCj时，可忽略容抗，当大偏流时，Rf-Rs,而当反偏较小时，I层尚未穿通，耗尽区以Cj等效，Rf很大可忽略，非耗尽区由R1和Ci并联等效。I层穿通后，非耗尽层区不存在，Ri很大，将其忽略，等效电路如图2-4(b)所示。综上所述，若不考虑串联电阻Rs,则PIN管的简化等效电路，正偏时等

32、效为一个可变低电阻，反偏时等效为一个恒定电容，呈高阻抗，但这些特性都对应一定频率上限和下限。当微波信号和直流偏置同时作用到PIN管时，二极管的工作状态主要取决于其直流偏置状态。如PIN管处于正向偏置时，由于正向电流已使I层中存储电荷，所以不管微波信号的正负极如何，都可以维持导通状态。而反向偏置时，即使微波信号幅度大到进入正向区，但是由于短暂时间内正向注入到I层载流子不多，载流子在I层渡越尚未來得及构成复合电流时，微波电压乂变成反向并吸出电荷，因此PIN二极管仍处于截止状态。这样，PIN二极管所呈现的阻抗大小,只取决于直流偏置，而与微波信号无关。因此，就可以利用较小的直流功率來控制PIN二极管的

33、工作状态，从而控制较大的微波功率。封装的PIN二极管的微波等效电路如图2-5所示:其中Cp为封装的管壳电容,Ls为引线电感。图2-5封装二极管等效电路2.2.2微波开关的主要参数微波开关的技术指标有：正向插入损耗，反向隔离度，功率容量，开关转换时间，工作频带，驻波比，控制电压范围，ldB功率压缩点，三阶交调系数等。1.插入损耗和隔离度囚PIN管实际上存在有一定数值的电抗及损耗电阻，因此开关电路在导通时衰减不为零，称为正向插入损耗L,定义是开关导通时传到负载的实际功率与理想开关传到负载的功率之比：L=H(2-33)Poul等式中，P(l一一输入信号的信源资用功率；P】+儿)COS&+)(2+儿+

34、儿+儿儿）sin即(2-45)假设所要求开关的工作频带为一个倍频程，则在中心频率/0=AA上取得电角度0=90。；同时假设归一化导纳儿和儿均大于10（在实际中容易达到）。在上述假设条件下，式（2-13）中的第二项远大于第一项，而且儿儿2+儿+儿。因此，在一个倍频程内，此开关的隔离度可近似等于S扣儿（2-46）由上式可知，单管并联型开关的隔离度为:表示成以dB为单位的公式，即:L101g1+Y101gy22厶(单管)=101g+101g今+6(2-47)(dB)(2-48)就是说，两并联PIN二极管级连（两管距离四分之一波长）的隔离度近似等于两级单管并联型开关的隔离度之和再加上6dB,即可大大提

35、高隔离度。可见，只要知道了PIN二极管的参数，就可以求出其正反偏时的阻抗，从而可以根据上述公式计算整个电路的插损和隔离度，求得最佳的管间间距。（3）滤波器式开关为了设计宽频带的微波开关，还可使用滤波器型的电路形式。在并联式开关中，由于PIN管在反偏时导纳不为零，而存在电容6形成的容纳，它并联于传输线上将造成一定反射，使开关产生插入哀减。而对低通滤波器来说,在截止频率以下的通带内，其插入损耗均很小，故可考虑将开关电路与滤波器设计结合起米，构成滤波器型的开关。在LC低通滤波器的基础上，釆用高阻线、方块金属膜（低阻线）分别代表电感L和电容C,在方块金属膜中心打孔，插入PIN管与传输线集中电容并联。若

36、取滤波器的截止频率高于开关的工作频率（及相应工作频带），当PIN管反偏时，PIN管电容6就成为滤波器电容的一部分，即总电容为C加上此时电路就相当于一个低通滤波器，微波信号频率在滤波器通带之内，插入衰减很小，开关导通。而在正偏压下管子阻抗很低，反射强烈，开关断开。因此，在指定频率上可设计出开关特性好、带宽足够的开关电路。为进一步提高工作频率，拓宽频带，可以去除封装直接使用管芯，必要时还可去除附加电容C,直接利用管芯反偏电容和压焊引线电感构成低通滤波器，据报道其性能可达带宽18GHZ,隔离度30dB,插损小于ldB。需注意的问题就是要将滤波器截止频率设计在PIN开关要求的工作频带高端或更高频率上。

37、电子科技大学学士学位论文第3章Ka波段单刀单掷开关设计 第3章Ka波段单刀单掷开关设计本章节主要研究微带线PIN管单刀单掷开关的设计，选取以微带线作为基本传输线，与梁式引线二极管一起构成单刀单掷开关。并通过微波软件ADS对开关进行建模和仿真，得到较好的优化结果。3.1SPST开关的设计根据查阅PIN二极管产品手册发现，釆用单管无法达到设计目标所要求的隔离度。为此，论文选用了第二章节讨论的结论一通过单管并联來提高开关隔离度的方法。经查阅文献后归纳总结各电路拓扑的优缺点后，决定采用并联电路形式。另外，根据所选用二极管的参数，釆用理论计算发现，釆用两管并联就可以满足设计所要求的隔离度，当然如果采用三

38、管并联，则隔离度会更高，但是考虑到并联的管子越多，开关的插入损耗就越大，为了兼顾开关的插入损耗和隔离度的要求，最终选用如图3-1所示的两管并联拓扑结构来实现Ka波段单刀单掷开关。图3-1单刀单掷开关的拓扑结构由图3-1可知，其中端口1为输入端口，端口2为输出端口，C为隔直电容,L为偏置电感，端口3为直流偏置点。该电路的工作原原理是：当3端口加正向偏压时，PIN二极管导通，器件呈现低阻状态，电路近似短路，信号几乎全部反射，此时，对应开关断开。当3端口加反向偏压时，PIN二极管截止，器件呈现高阻状态，电路近似开路，信号可传送到负载，此时，对应开关闭合。3.2SPST开关的ADS仿真3.2.1仿真软

39、件ADS先进设计系统(AdvancedDesignSystem),简称ADS,是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波领域)，而得到了广大IC设计工作者的支持。ADS是高频设计的工业领袖。它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频傲波模块到用于通信和航空航恐国防的MMICo通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿

40、真器，以及电路图捕获、布局和验证能力因此不需要在设计中停下來更换设计工具。先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝和便携电话、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)频域电路仿真(HarmonicBalanceLinearAnalysis)三维电磁仿真(EMSimulation)、通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)数字信号处理仿真设计(DSP)；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从

41、离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。本文利用微波仿真软件ADS对Ka波段单刀但只开关进行实际的仿真和优化。ADS经过多年的发展，仿真功能和仿真手法日趋完善，最大的特点就是集成了从IC级到电路级直至系统级的仿真模块。它内含基于矩量法Momenuim的电磁仿真模块，ADSMomentum是一种对3D进行简化的2.5D电磁场仿真器，非常适合第3维度上均匀变化的结构仿真。其仿真速度极快，同时保证和主流3D电磁仿真软件相当的精度。ADS集合了多种EDA(ElectronicDesignAutomation)软件

42、的优点，可进彳亍时域、频域仿真、模拟电路、数字电路仿真，线性、非线性电仿真，小到单独元器件的仿真，大到系统仿真、数/模混合仿真。其强大的仿真功能和较高的准确性，己经得到业界的普遍认可，成为业内最为流行的射频EDA软件。3.2.2整体电路的拓扑结构本节将采用ADS软件对微带线PIN管SPST开关进行仿真设计，考虑到设计的波导到微带的过渡段，所设计的微带线开关釆用50Q的微带线作为传输线。本次设计微带电路采用的介质基片Rogers公司的Dunod5880,相对介质常数为6=2.2,基片厚度d=0.254?。打开ADS中的微带线计算工具，工具栏中的Linecalco如下图3-2所示，填入基片的厚度、

43、相对介电常数、磁导率、电导率等微带参数，右下方填入50Ohm和90deg可以算出微带线特性阻抗为50Ohm电长度为90度时的线宽W=O.758mm和长度L=1.556nmi（即为四分之一波长）。QjLxadSilc/unU-cd-|n|x|?ileSimolationOptions)(61p图32计算开关导带的长宽然后对PIN管进行设置，打开ADS对微带线SPST开关进行建模，选用MSub填好介质参数放入原理图中，再调出库文件里的PIN管模型写入MACOM公司所给的技术参数，如图3-3所示。OPort-“.Num二1.PlbJ_diodePinDiodelAreaz.Wd=.Trepiz；Po

44、rtP2Num=2.Temp=Tau=.Trepi2=Trise=iknee=Trlim=Trioni=Rho=-Trlim2=ISiEps=Ttn1=|3BCjT6彳FTm2=.07V.Tbv=.lkf=M=Kf=Bv=Fc=Af=lbv=Eg二Tfe=*Rs=3OhmXti=Cprackd2fFRp=Trs=Lbond=0iO6*nH*.Repi=388aOhmTr&2=.max=.Rlim=Trp=w=Trp2=MSubMSUBMSubl-H=0.254mm.Er=2.2Mur=1Cond=5.88E+7Hu=1.0e+033mmT=0.017mmTanD=0.0009.Rough=0m

45、m图3-3MSub和PIN管模型在微波软件ADS中建立单刀单掷开关整体的拓扑结构，如图3-4所示:S.PXfltTER$，syf2ttJrt-UpHX.ap.nGKzi*t*aHGrtr|魄bjH3UB旧心HUJ24mEQ.mm呦TUH?niRc#;-Onn皿IVOJ-O2fn.5W殛匚*2xjuoint-oirrn、KTEFAD9T44I0TrWHJ2m沁3cmt2.EF密.亠皿315EOz，fc尸.*dH!-U2E讥中*-atiia.0jrnH*-O/?rnYorTdueill*詈丫呵叶TVB电2i-CLMC代容!“Z-ffiOinGCrt.：UCtCiwuoor.QjQilei)ujuc

46、rrrngweXmnriUlUnnUlnnw.SlWfc-ltMDIi-OnrrUQlflT*Vltf.grLQiifir)Wlinr-(iiwta*隔匚ATi二4ZZF京丁品；才.叩C1I|,ST临TldS.sGima*卜si忖卜自叶.JWM.AWHrnntnmr.叩“仟n!wiQ7?nn.L-5mV-KImTertrri-Nww.vv)irnumari-5aS7.5WU74DGHCstp.*xi)Giic3-1iwuWb-2.WW.SB；P心於Ewwthi.itiul3MEJ22NtUlyxnr-?mO*CTOeT-annir.fZXOB-肚孙屮吓wmMC4C3兀“：UfvjkuilmGt

47、Wef，OTtrACnwtlUk*U&)MJ右wiCM：rrrMJ7rrngit-SiUbJUMOl*3.nr3.0iH3IM*iji%-nirriGamTMh.ro-arrrrii(MriTniUWTV8COXW3jf?rr/MC-*WIN*IfJ*H.*aJ4i*PX)i7niriL-QmriWB*FBI?ITiro|Z-OTOHe沁H3时Z】lM.u%rnmr.rnsE-Q12:3:36.00000134.00000(仃仃mnfGHzGHz-!GHz-f5.052db3.591dB0733dB-2IIdiii*60.00-70.0080.00Ch1:Start34.0000GHzStop

48、36.0000GHz|Cont.CH1:S21C2-PortLCL图微带线PIN管单刀单掷开关隔离度测试结果图由图4-8可知，在34.0GHz的工作频率下，隔离度为53.6dB,在36.0GHz的工作频率下，隔离度为45.ldB,在中心频率35.0GHz下，隔离度为50.7dB。很好的实现了本次设计所要求的指标（隔离度大于20dB）。实物的隔离度远远的好于设计的指标，开关的隔离度性能良好。图4-9微带线PIN管单刀单掷开关插入损耗测试结呆图由图4-9可知，在34.0GHz的工作频率下，插入损耗为6.88dB,在36.0GHz的工作频率下，插入损耗为5.08dB,在中心频率35.0GHz下，隔离

49、度为5.88dB与本次设计所要求的指标，即插入损耗大于5dB有一定的差距，但是偏差并不是很远。较好的实现了设计指标。开关的插入损耗性能一般。测试结果分析：较之产品手册上的性能指标，产品手册上性能如图4-10所示，实物测试数据的插损、隔离度和工作带宽性能均有不同程度的下降，分析原因有以下几点：1.产品手册上的测试是在很稳定的环境下进行的，而实际测试中的温度、湿度等因素都会对测试结果产生影响;2.给定的参数值加工了实物，由于加工精度的问题难免产生误差，会直接影响到开关的性能;3.调试时由于技术和经验不足没有能够调试出开关的最佳性能。4.由于实验釆用的是用耦合电容來达到隔直的效果，但是并不能完全的隔

50、绝，最好还是得釆用滤波器来实现。TYPICALINSERTIONLOSS5VFREQUENCY(GHz)(a)TYPICALISOLATION+10mAFREQUENCY(GHz)(b)图4-10产品手册性能指标图但)产品在050GHz频率范I韦I内的插入损耗变化图(b)产品在050GHz频率范I韦I内的隔离度变化图4.3SPST的改进通过将实测结果与产品手册上的性能指标相比较，可以看出，在34-36GHz频率范围内两者的隔离度指标变化趋势基本一致，而在34-36GHz频率范围内插入损耗具有较大的差异。造成性能变差的原因主要是由于电路腔体的加工和电路基片粘接的精度无法达到要求所致；其次，未考虑

51、连接两过渡电路之间微带线的损耗（介质基片介电常数仅按二2.22计算）；第三，电路釆用耦合电容來达到隔直的效果，但是用耦合电容來隔直的效果并不是十分的良好，在后续的改进中，可以考虑用SPST结合滤波器应该能达到更好的效果，使用滤波器型还能有效的使频带拓宽。电子科技大学学士学位论文 结束语结束语毫米波开关是用于控制毫米波信号传输路径及信号大小的控制器件之一，在相控阵雷达、电子对抗、微波通信、卫星通信以及微波测量等方面有着广泛的应用。本文所研究的毫米波PIN二极管开关在毫米波段具有极其重要的地位，特别在低功率电路中更是首选器件。本文在分析了PIN二极管和SPST的工作原理基础上，对微带线PIN管单刀

52、单掷开关进行了研究，利用微波仿真软件ADS对开关进行了仿真设计，并得到较好的仿真结果。在此基础上，研制出了微带线PIN管单刀单掷开关的实物，并对该实物进行了测试，测试结果表明在34-36GHZ的频段上，大于45dB,隔离度数据良好，能达到设计的要求（大于20dB）,但是插入损耗在6dB左右，与设计要求（小于5dB）有一定的差距。但基本符合本次设计的设计要求。在文中最后，通过对测试结果分析，提出了实现更好技术指标开关的改进措施。参考文献中国集成电路人全编委会微波集成电路.北京：国防工业出版社，2003R.S.TaliinhT.pliam,K.changW-bandintegratedciicui

53、tPINswitches.MicrowavejournaLdec.1986薛正辉，杨仕明，李伟明.微波固态电路.北京：北京理工大学出版社，2004Yu-JiuWang,Kun-YouLin,Dow-chiliNiu,etal.AV-BaiidMMICSPDTPassiveHEMTSwitchUsingImpedanceTransformationNetwoiks.IEEEMTT-SDigest.2001:253-256Kun-YouLin,Yii-JiuWang,Dow-chiliNiu,elal.Millimeter-WaveMMICSinglePoleDoubleThrowPassiveH

54、EMTSwitchesUsingInipedance-TransforniationNetworks.IEEEMTT.2003,51(4):1076-1085HirosluMizutani,MarahuoFunabaslii.MasaakiKuzuhaia,etal.CompactDC-60GHzHJFETMMICSwitchesUsingOlmiicElectrode-ShaimgTeclmology.IEEEMTT.1998,46(10):1597-1603KenicluMamhaslii.HirosluNlizutani,KeiichiOhataDesignandpeiiormanceo

55、faKa-baiidmonolitliicphaseshifterutilizingnomesonaiitFETswitchesIEEEMTT.2000,48(8):1313-1317http: HYPERLINK A.Klaassen,J.M.Dieudoime.77GHzmonolithicmmicschottky-andPIN-diodeswitchesbasedonGaAsMESFETandSilliconSIMMWICteclmology.IEEENITT-Sdigest,1995:1631-1634MichaelCase,MeluanMatloubian,Hsiang-ChiliS

56、un.High-performanceW-bandGaAsPINDiodesingle-poletriple-tluowswitchCPWMMIC.IEEEMTT-SDigest.1997:1047-1050GabiielMRebeiz.RFMEMS:Theroy,design,andteclmology.NewYork:JolinWilev&Sons.Iiic.2001J12JR.RMansoui;M.Bakii-Kassem.elal.RFMEMSdevicesTheinternationalconferenceonMEMS，NANOandsmartsystems,2003DeiiisMe

57、icier.PieneLouisCliaivet,PascaleBemiyer,etal.ADCto100GHzliighpeiiormanceolmiicshuntswitch.2004IEEEMTT-SDigest:1931-1933维君.微波技术基础.机械电子工业出版社,1988.1526薛良金.亳米波工程基础(第1版).哈尔滨:哈尔滨工业人学岀版社,2004.76-79PucelRA.MasseDJ.andHaituigCP.LossesinMi-crostnp、IEEEMTTJ968、Vol.16,No.6:342-350参考文献BalilIJ.andGuptaKCAieragePo

58、werHandlingCapabilityofMicrostnpLines,IEEJ.Miciowave,Opt.Acoustics，1979,Vbl.314中国集成电路大全编委会.微波集成电路.北京：国防工业出版社，20031刃美J.F.怀特著，王晦光等译.微波半导体控制电路.南京：江苏科学技术出版社，1986喻梦咯李桂萍.微波固态电路.成都：电子科技大学出版社，200&247-250喻梦霞，李桂萍.微波固态电路.成都：电子科技大学出版社，200&250252黄香馥，陈天麟，张开智.微波固体电路.成都：电子科技人学出版社，19882习喻梦霞，李桂萍.微波固态电路.成都：电子科技大学出版社，2

59、00&25324雷振亚.射频/微波电路导论.西安：西安电子科技大学出版社，2005.211214电子科技大学学士学位论文外文资料原文 致谢2011年6月2EI外文资料原文APROGRAMMABLEHIGH-ISOLATIONMONOLITHICMILLIMETER-WAVESPSTSWITCHSNam*,D.L.RaynesandI.D.Robertson*PhilipsResearchLaboiatoiies,RedlulLSurrey,UK*MicrowaveandSystemsResearchGroup.UniversityofSuney,Guildford.UKABSTRACTAnov

60、elprogrammableswitchdesigntechniqueispresented.ThedesignusesananalogreflectiontopologywithPHEMTreflectionterminations.Theprogrammableswitchprovidesamaximumof60dBisolationwithaprogrammablefrequencyrangeof40to57GHzINTRODUCTIONTheteclHuqueofmtegratmgmultipleswitchingdevicesintodistributedstmctuiesisalo