8_18GHz双刀双掷开关研究

8_18GHz双刀双掷开关研究 第19卷 第1Vol. 19 ,No. 1 固体电子学研究与进展 期 Feb. , 1999 RESEARCH & PROGRESS OF SSE 1999 年 2 月 8,18 GHz 双刀双掷开关研究 真 莹 吴桂娣 钱辉作 濮健珍 ()南京电子器件研究所 ,210016 19970922 收稿 ,19980212 收改稿 提要 采用混合集成电路的方法 ,用 PIN 管芯制作了 8,18 GHz 双刀双掷开关 。开关采用管 芯全并联结构 。反射式 DPDT开关插损 ?2. 0 dB ,隔离度 > 59 dB ,开态驻波比 ?1. 65 ,承受功率为 连续波 5 W。吸收式 DPDT开关插损 ?2. 9 dB ,隔离度 > 58 dB ,开态与全关断态驻波比 ?2. 1 ,承受 功率连续波 2 W。电路由 TTL 信号控制 。 关键词 :双刀双掷 P 型2本征型2N 型半导体二极管管芯 宽带开关 吸收式 中图分 类号 : TN385 Research on the 8,18 GHz Double2pole Double2thro w Switch Zhen Ying Wu Guidi Qian Huizuo Pu Jianzhen ( )Nanjing Electronic Devices Institute , 210016 , CHN () Abstract :8,18 GHz double2pole double2throw DPDTswitches have been designed and fabricated. These switches use hybrid integrated circuits and shunt2mounted PIN2diode chip . The reflected DPDT switch exhibits insertion loss ?2. 0 dB , isolation > 59 dB and transmission () VSWR ?1. 65 , power cw?5 W. The nonreflected DPDT switch exhibits insertion loss ?2. 9 () dB ,isolation > 58 dB , VSWR ?2. 1 , power cw?2 W. The circuits are controlled by the TTL logical signal. Key Words :Double2pole Double2throw PIN2diode Chip Broadband Switch Nonreflection EEACC :1300 1 引 言 微波半导体开关在相控阵雷达 、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 。半导体开关与电子机械开关相比 ,具有开关速度快的特点 ;与铁氧体相比 ,具有 频带宽 、体积小 、重量轻的优点 。又由于 PIN 开关稳定性好 、可控功率大 、损耗小 ,所以在许多 半导体控制电路中多数采用 PIN 管 。虽然近年来 MMIC 开关发展迅猛 ,但由于它的功率承受 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 19 卷60 能力与 PIN 管开关相比尚存在一定的差距 ,所以未能取代 PIN 管开关 。 以下介绍采用 PIN 管管芯制作的混合集成的 8,18 GHz 反射式双刀双掷开关和吸收式双 刀双掷开关 ,它们已作为产品实际应用 。开关采用管芯全并联结构 ,测试表明 ,反射式 DPDT 开关插损 ?2. 0 dB ,隔离度 > 59 dB ,开态驻波比 ?1. 65 ,承受功率为 5 W ,开关速度 :前后沿延 (() () 迟时间分别 < 30 ns 50 %TTL,50 %RF, ?20 ns 50 %TTL,50 %RF,上升沿 10 %RF,90 % ) () RF、下降沿 90 %RF,10 %RF均小于 < 20 ns 。吸收式 DPDT 开关 ,插损 ?2. 9 dB ,隔离度 > 58 dB 。开态与全关断态驻波比 ?2. 1 ,承受功率为 2 W ,与反射式开关采用同一批管芯 ,开关速度 应与后者有相同的量级 。电路由集成驱动器驱动 ,TTL 信号控制 。 2 电路设计 2. 1 电路基本工作原理 利用 PIN 管的正偏导通 ,反偏截止的特点构成开关 。 PIN 管与传输线的连接方式有并联型和串联 型两种基本形式 。并联型开关 ,器件呈高阻抗时 , 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 ;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 。串 联型开关则相反 ,即呈低阻抗时对应开关的导通 () 图 状态 ,呈高阻抗对应开关的断开状态 。由这两种 1 无封装 PIN 管芯等效电路 : a () 反偏 ; b正偏 形式结合还产生了一种串并联结构 。 Fig. 1 Equivalent circuit for PIN2diode chip : 由于封装 PIN 管的串联引线电感增加了正向 () () aReverse bias ; bForward bias 阻抗 ,并联管壳电容减小了反向阻抗 ,从而造成开 关的隔离度减小 ,插入衰减增大 ,所以采用不加封 装的 PIN 管管芯 。其等效电路如图 1 所示 。 R为正向电阻 , C为结电容 , R为反向电阻 , R通常可以省去 。 单管芯对f j r r [ 1 ]应的插损与隔离度分别是 并联型插损为 : 隔离度为 : 2 (π) L = 10lg[ 1 + f CZ] () L 1A j 0= 20lg[ 1 + Z/ 2 R] 1B 0f 串联型插损为 : 隔离度为 : 2 ) π) ((L = 20lg[ 1 + R/ 2 Z] L = 10lg[ 1 + 1/ 4f CZ] 2A f02B j 0 2. 2 电路结构选取 [ 2 ] 比较上述三种开关结构的插损 、隔离度 、开关速度 、功率容量,全并联结构具有优势 ,但 带宽受(λ) 到 / 4的限制 ,若能展宽带宽 ,全并联结构对 8,18 GHz 开关是最佳 。 g 1 期 真 莹等 : 8,18 GHz 双刀双掷开关研究 61 [ 3 ] 2. 2. 1 频带展宽 采用 PIN 管管芯和滤波器结合的方法可将带宽扩展至一个倍频程,其原 理是将管芯反偏时的结电容作为低通滤波器的电容元件 ,输入功率通过开关而损耗不大 ;正偏 时 ,等效为一个小电阻和一个小电感串联 ,破坏了上述滤波器的正常工作状态 ,结果使入射信 [ 4 ] 号产生很大的反射 ,这相当于开关处于关断状态 。其等效电路如图 2 所示。 图 2 宽带等效电路 : () () a二极管反偏 ; b二极管正偏 Fig. 2 Broadband equivalent circuit : () () aA shunt2mounted PIN chip with reverse bias ; bA shunt2mounted PIN chip with forward bias 在工艺上的实现方法如图 3 所示 。 εh = 0. 254 介质板介电常数 = 2. 25 , 厚度 r mm ,金丝既作为连接管芯与电路微带线的引线 , 同时也作为滤波器的电感 。管芯用导电胶粘在接 地板上 。 2. 2. 2 提高隔离度 首先采用管芯排除寄生参 数的影响 ,采用三级级联提高隔离度 ,且两管间距 设计在频率高端 ,以补偿随着频率的增加单管管 图 3 工艺实现示意 芯隔离度的减小 ,使理论上在该中心频率上增加 Fig. 3 Technological structure diagram [ 1 ,3 ] 6 + 6 = 12 dB 隔离度。将电路腔体设计成槽 型 ,消除空间信号互串 ,并且抑制高次模传输 。 2. 2. 3 开关速度与功率容量 承受功率大 ,要求管芯反向击穿电压高 ,而开关速度快则要求 相反 。在承受功率能满足要求的情况下 ,利用高速驱动器 ,采用加速电容 ,提高开关速度 。 2. 3 双刀双掷开关设计 2. 3. 1 反射式双刀双掷开关设计 电原理图如图 4 所示 。 () λ第一只 PIN 管离结点 O , i = 1 、2 、3 、4为/ 4 。B、B、B、B是偏置 , C 为隔直电容 , i g14 13 23 24 L 、L 为接地电感 ,以泄漏 TTL 信号的过冲 。 3 4 其工作原理为 :当 B、B为正偏及 B,B为负偏时 ,微波信号从 J 端口输出到 J 端口 , 13 2414 231 4 同时另一路微波信号从 J 端口输出到 J 端口 ;反之当 B、B为负偏及 B、B为正偏时 ,J 2 3 13 2414 231 ? J 、J ?J 为导通端 ,J ?J 、J ?J 为隔离端 。偏置电感用金丝绕制 。 3 2 4 1 4 2 3 2. 3. 2 吸收式双刀双掷开关 电原理图如图 5 所示 。 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 19 卷62 图 4 反射式 DPDT开关电原理 图 5 吸收式 DPDT开关电原理 Fig. 4 Principle diagram for reflected Fig. 5 Principle diagram for nonreflected DPDT switch DPDT switch 与反射式相比多了 4 个吸收管 D、D、D、D, R 为电阻 ,这四只管芯与其它 12 只管芯 11 12 21 22 () 是同样型号 ,只是在吸收态时 B,B,B,B均加正偏 ,所有的微波通路断开,用电阻 R 控 14 13 23 24 Ω 制 B,B端的正偏电流 ,使它们呈现 50 左右的电阻 ,以吸收反射回输入端的功率 。采用两 1 2 级吸收是为了改善带内驻波和增加带宽 。 2. 3. 3 控制方式 工作电压 + 5 V 、- 5 V ,由两个控制端口控制 TTL、TTL。 1 2 表 1 控制方式 Tab. 1 The way of control TTLTTL ()()12Operating statesreflection Operating states nonflection J?J,J?Jon J?J,J?Jon 1 3 2 4 1 3 2 4 1 0 J?J,J?Joff J?J,J?Joff 1 4 2 3 1 4 2 3 J?J,J?Jon ?J,J?Jon J1 4 2 3 1 4 2 3 0 1 J?J,J?Joff J?J,J?Joff 1 3 2 4 1 3 2 4 J?J,J?Joff 1 3 2 4 1 1 - J?J,J?Joff 2 3 2 4 - 0 0 - - 2. 3. 4 设计结果 电路特性用 Touchstn 软件优化得到 。选取管芯 C= 0. 04,0. 06 pF , R= 0. j f Ω 6,0. 7 , V?100 V。 B 测试结果如下 。微波参数在 HP —8408B 自动网络分析仪上测试 。 DPDT 开关微波测试参数如表 2 、3 和 4 所示 。 1 期 真 莹等 : 8,18 GHz 双刀双掷开关研究 63 表 2 反射式双刀双掷开关微波测试数据 Tab. 2 Measured microwave data of reflected DPDT switch on operating states Operating states Freq. J ?J J ?J J ?J J ?J 1 4 1 3 2 3 2 4 / GHz IL/ dB VSWR ISO/ dB IL/ dB VSWR ISO/ dB IL/ dB VSWR ISO/ dB IL/ dB VSWR ISO/ dB 8. 0 1. 6 1. 28 65. 4 1. 7 1. 31 65. 8 2. 0 1. 51 65. 1 1. 9 1. 49 65. 4 8. 5 1. 5 1. 17 66. 1 1. 4 1. 03 65. 9 1. 7 1. 10 65. 7 1. 6 1. 20 64. 9 9. 0 1. 9 1. 43 64. 5 1. 7 1. 20 65. 6 1. 9 1. 28 63. 5 1. 7 1. 11 62. 8 9. 5 1. 7 1. 57 61. 6 1. 5 1. 30 63. 6 1. 8 1. 46 62. 3 1. 6 1. 24 61. 5 10. 0 1. 4 1. 38 59. 8 1. 4 1. 18 61. 8 1. 6 1. 35 60. 9 1. 5 1. 21 60. 3 10. 5 1. 5 1. 14 60. 0 1. 5 1. 08 61. 9 1. 6 1. 19 59. 7 1. 6 1. 18 59. 9 11. 0 1. 5 1. 41 59. 7 1. 5 1. 39 60. 8 1. 5 1. 20 59. 1 1. 5 1. 38 60. 1 11. 5 1. 6 1. 61 60. 8 1. 5 1. 60 61. 4 1. 6 1. 18 60. 5 1. 6 1. 54 61. 8 12. 0 1. 8 1. 59 61. 7 1. 7 1. 61 62. 5 1. 6 1. 12 61. 4 1. 8 1. 59 63. 4 12. 5 1. 9 1. 47 61. 7 1. 7 1. 53 62. 3 1. 5 1. 18 61. 0 1. 8 1. 65 63. 1 13. 0 1. 6 1. 27 62. 5 1. 5 1. 30 63. 4 1. 6 1. 29 62. 3 1. 8 1. 58 63. 1 13. 5 1. 6 1. 22 63. 1 1. 3 1. 19 63. 6 1. 5 1. 47 63. 4 1. 7 1. 47 63. 8 14. 0 1. 8 1. 29 63. 5 1. 2 1. 16 63. 7 1. 5 1. 52 63. 2 1. 7 1. 37 63. 3 14. 5 1. 7 1. 33 63. 3 1. 5 1. 17 63. 0 1. 7 1. 39 63. 8 1. 7 1. 26 64. 1 15. 0 1. 6 1. 30 64. 0 1. 6 1. 20 63. 7 1. 9 1. 22 63. 7 1. 7 1. 13 63. 7 15. 5 1. 6 1. 23 62. 6 1. 6 1. 20 62. 9 1. 7 1. 23 63. 0 1. 6 1. 01 61. 6 16. 0 1. 4 1. 18 61. 0 1. 4 1. 17 63. 1 1. 5 1. 29 63. 1 1. 3 1. 15 61. 0 16. 5 1. 7 1. 12 60. 4 1. 7 1. 20 61. 5 1. 8 1. 26 61. 2 1. 7 1. 19 60. 0 17. 0 1. 7 1. 05 59. 7 1. 8 1. 28 61. 1 1. 8 1. 36 60. 8 1. 7 1. 13 59. 3 17. 5 1. 5 1. 13 60. 2 1. 8 1. 34 61. 7 1. 8 1. 46 61. 3 1. 5 1. 14 59. 1 18. 0 2. 0 1. 16 61. 3 1. 8 1. 31 62. 0 1. 7 1. 40 61. 9 1. 9 1. 23 60. 5 表 3 吸收式 DPDT开关工作态微波测试数据 Tab. 3 Measured microwave data of nonreflected DPDT switch on operating states Operating states J?J J?J J?J J?J 1 41 32 32 4Freq. / GHz IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR / dB on / dB off / dB on / dB off / dB on / dB off / dB on / dB off 7. 5 2. 1 1. 18 65. 8 1. 09 2. 1 1. 15 67. 2 1. 24 2. 0 1. 16 66. 1 1. 10 2. 4 1. 15 65. 6 1. 15 8. 0 2. 1 1. 35 66. 3 1. 14 1. 9 1. 20 66. 1 1. 35 1. 8 1. 06 65. 2 1. 04 2. 1 1. 04 64. 7 1. 07 8. 5 2. 2 1. 67 65. 5 1. 36 2. 0 1. 50 65. 9 1. 56 1. 8 1. 27 64. 9 1. 28 2. 1 1. 32 64. 9 1. 24 9. 0 2. 9 2. 09 63. 1 1. 71 2. 5 1. 85 63. 5 1. 89 2. 3 1. 73 62. 5 1. 62 2. 5 1. 79 63. 1 1. 56 9. 5 2. 8 2. 02 61. 2 1. 93 2. 4 1. 77 61. 9 2. 10 2. 2 1. 67 60. 9 1. 84 2. 5 1. 77 62. 1 1. 76 10. 0 2. 4 1. 85 60. 0 1. 89 2. 1 1. 64 61. 1 2. 09 1. 9 1. 47 60. 1 1. 74 2. 1 1. 56 61. 5 1. 62 10. 5 2. 4 1. 88 59. 1 1. 64 2. 2 1. 62 60. 2 1. 90 1. 9 1. 27 59. 0 1. 39 2. 1 1. 40 61. 3 1. 25 11. 0 2. 3 1. 61 58. 5 1. 26 2. 0 1. 34 59. 4 1. 53 1. 9 1. 13 58. 2 1. 05 2. 1 1. 10 59. 9 1. 17 11. 5 2. 2 1. 43 60. 2 1. 08 2. 0 1. 17 60. 6 1. 29 1. 9 1. 36 59. 4 1. 34 2. 0 1. 22 60. 7 1. 50 12. 0 2. 0 1. 28 62. 3 1. 37 1. 9 1. 15 62. 0 1. 43 2. 2 1. 56 61. 4 1. 43 2. 1 1. 37 62. 2 1. 57 12. 5 1. 8 1. 58 61. 9 1. 64 1. 8 1. 62 61. 8 1. 67 2. 0 1. 52 61. 2 1. 27 1. 9 1. 35 61. 4 1. 40 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 19 卷64 Operating states Freq. J?JJ?JJ?JJ?J 1 41 32 32 4/ GHz IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR IL VSWR ISO VSWR / dB on / dB off / dB on / dB off / dB on / dB off / dB on / dB off 13. 0 2. 3 1. 93 62. 1 1. 77 2. 2 1. 96 62. 7 1. 79 2. 0 1. 41 61. 4 1. 22 1. 9 1. 28 62. 5 1. 29 13. 5 2. 7 1. 90 63. 0 1. 68 2. 6 1. 90 62. 9 1. 73 2. 2 1. 52 62. 9 1. 35 2. 2 1. 43 63. 2 1. 40 14. 0 2. 7 1. 69 61. 7 1. 54 2. 5 1. 65 62. 5 1. 60 2. 3 1. 56 62. 1 1. 33 2. 4 1. 47 62. 4 1. 44 14. 5 2. 2 1. 26 63. 4 1. 52 2. 2 1. 28 63. 4 1. 41 2. 1 1. 26 63. 1 1. 25 2. 1 1. 16 62. 8 1. 36 15. 0 2. 4 1. 31 63. 8 1. 36 2. 3 1. 30 63. 8 1. 29 2. 3 1. 28 63. 5 1. 35 2. 5 1. 33 63. 0 1. 28 15. 5 2. 3 1. 60 63. 1 1. 23 2. 2 1. 53 62. 5 1. 38 2. 2 1. 53 62. 8 1. 48 2. 4 1. 64 62. 9 1. 36 16. 0 2. 0 1. 50 62. 3 1. 54 1. 8 1. 36 61. 8 1. 50 1. 9 1. 34 62. 1 1. 48 2. 1 1. 46 61. 9 1. 46 16. 5 2. 1 1. 22 60. 7 1. 62 2. 0 1. 40 60. 4 1. 41 2. 1 1. 44 60. 0 1. 35 2. 2 1. 29 61. 2 1. 43 17. 0 2. 2 1. 24 60. 3 1. 35 2. 3 1. 39 61. 5 1. 19 2. 2 1. 41 59. 9 1. 31 2. 3 1. 36 60. 0 1. 36 17. 5 1. 9 1. 39 60. 0 1. 25 1. 9 1. 55 60. 3 1. 24 1. 9 1. 61 59. 0 1. 52 2. 2 1. 60 59. 8 1. 51 18. 0 2. 6 1. 44 59. 8 1. 52 2. 5 1. 41 60. 8 1. 45 2. 4 1. 36 59. 3 1. 62 2. 6 1. 47 60. 0 1. 57 表 4 吸收式 DPDT开关吸收态微波测试数据 Tab. 4 Measured microwave data of nonreflected DPDT switch on absorbing state Absorbing state Freq. / GHz Jin Jin 1 2 ISO/ dB VSWR off ISO/ dB VSWR off 7. 5 66. 3 1. 65 66. 6 1. 66 8. 0 66. 0 1. 51 65. 6 1. 50 8. 5 65. 2 1. 41 66. 2 1. 39 9. 0 65. 4 1. 36 64. 5 1. 34 9. 5 65. 0 1. 34 65. 5 1. 36 10. 0 65. 1 1. 36 65. 3 1. 42 10. 5 64. 5 1. 40 64. 7 1. 47 11. 0 63. 2 1. 45 63. 5 1. 54 11. 5 64. 3 1. 50 63. 0 1. 58 12. 0 64. 0 1. 54 63. 2 1. 62 12. 5 62. 2 1. 60 62. 7 1. 68 13. 0 62. 2 1. 62 61. 9 1. 67 13. 5 63. 1 1. 62 63. 0 1. 63 14. 0 62. 6 1. 60 63. 1 1. 53 14. 5 62. 2 1. 55 62. 1 1. 38 15. 0 62. 5 1. 48 62. 2 1. 22 15. 5 62. 5 1. 42 62. 4 1. 14 16. 0 61. 0 1. 39 61. 9 1. 22 16. 5 60. 4 1. 39 60. 6 1. 36 17. 0 61. 2 1. 41 62. 1 1. 48 17. 5 61. 2 1. 44 61. 6 1. 59 18. 0 61. 2 1. 45 61. 6 1. 66 开关时间测试在 f = 13 GHz 下进行 。其开关时间定义如图 6 所示 。反射式 DPDT 开关测 1 期 真 莹等 : 8,18 GHz 双刀双掷开关研究 65 试数据如表 5 所示 ,吸收式 DPDT 开关同反射式 DPDT 开关采用相同的管芯 ,其开关时间应与 后者同一量级 。 表 5 反射式 DPDT开关时间测试数据 Tab. 5 Measured switching time data for reflected DPDT switch τ τττ 2413Routes ns J?J 1 4 27 18 11 16 J?J 1 328 16 12 12 J?J 2 328 16 12 12 图 6 开关时间的定义 J ?J 28 16 11 14 2 4 Fig. 6 The definition of switching time (τ) 1. 微波包络检波信号前沿 10 %,90 %,为开关上升沿 。 1 (τ)21 微波包络检波信号相对于脉冲 TTL 信号的开通延迟时间 50 %,50 % 2 τ() 3.50 %,50 %为关断延迟 。 4 (τ) 4190 %,10 %为开关下降沿 。 3 承受功率的测试在 f = 13 GHz 下进行 。反射式 DPDT 开关 5 W 连续波输入功率可工作 ,吸 收式 DPDT 开关 2 W 连续波输入功率可工作 。 3 结束语 上述两种开关具有通用性和使用价值 ,其设计方法适用于宽带和窄带以及其它频段 。尤 其吸收式开关对整机应用很有利 ,可以省去隔离器 ,并克服隔离器体积大 、高低温工作范围小 、 频带窄的缺点 。 参 考 文 献 () 1 Chorney P. The Microwave Journal , 1974 ;17 9:39, () 4 Jansen N. Microwaves , 1980 ;19 9:91,102 () 吴桂娣 Wu Guidi女 ,1969 年毕 48 业于南京无线电工业学校 。现为 2 王蕴仪 ,苗敬峰 ,沈楚玉等 1 微波器件与电路 ,南 南京电子器件研究所工程师 ,长期 京 :江苏科学出版社 ,1986 ;2 :140,159 从事微波半导体器件研究工作 ,获 ()3 怀特 美J F 著. 微波半导体控制电路 ,北京 :科学 多项科研成果 。 出版社 ,1983 ;1 :341,358 ( ) 真 莹 Zhen Ying女 ,1983 年毕 业于电子科技大学 ,获学士学位 。 () 钱辉作 Qian Huizuo男 ,1964 年 1986 年毕业于电子科技大学获硕 毕业于电子科技大学 。现为南京 士学位 。现为南京电子器件研究 电子器件研究所高级工程师 ,长期 所高级工程师 。一直从事微波半 从事微波半导体器件研究工作 ,获 导体控制电路研究工作 ,获多项科 多项科研成果 。 研成果 。