微波控制电路

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1、微波控制电路在微波工程中，需要对信号进行控制的场合很多，例如控制电路的通断，改变信号的传 输通路，改变微波信号幅度的大小、相位等。要解决这些微波控制问题，可以采用微波铁氧 体器件，也可以采用微波半导体器件。目前微波半导体器件的应用更为广泛。控制电路广泛 应用于微波测量、微波中继、雷达、卫星通信等系统。常用的有源器件包括PIN二极管、 砷化镓场效应三级管、变容管和肖特基势垒二极管oPIN管是最主要的器件，它的开路和短 路特性好，控制速度快，微波损耗小，可控功率容量大，因此在微波高频段和高功率电路中 经常采用PIN管。PIN 二极管基本特性 PIN 二极管的结构 PIN二极管是在重摻杂的P+和N+

2、中间夹一层宽度较大的不摻杂的本征层。本征层又叫做I 层，将二极管极间电容减小，击穿电压提高。中间层的厚度为1100u m,这取决于应用要求 和频率范围。在电压是正向时，二极管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，低摻杂的内层产生空间电荷，其区域达到高摻杂的外层。这种效应即使在小的反向 电压下也会发生,直到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。一般形式的PIN二极管及经台面处理的实用器件如图1所示，与常规的平面结构相比， 台面形式的优点是使杂散电容大为减少。PIN 结特性PIN管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，都具有整流作用，其工作机理是：在 零偏

3、压时，由于扩散作用，P区的空穴和N区的电子分别向I区扩散后复合，这样在I区边 界附近建立起一电场。由于这一建立起来的电场阻碍空穴和电子继续向I层注入，因此最终 会达到动态平衡，因此本征区处于不导电状态，在加反偏压时，PN结不导电的程度更甚。 但是在微波频率的特性却有很大差别。由于I层的总电荷主要是由直流偏置电流产生，而不是由微波电流瞬时值产生的，所以 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，正偏压时阻值小，接近短路； 负偏压时阻值大，接近开路。图2中信号1和信号2的微波电阻值一样。对于某确定的偏流 状态，不论加到PIN管上的微波信号幅度多大，PIN管相当于一个线性电阻，其阻值由偏

4、流 决定。因此PIN管对微波信号不产生非线性整流作用，这点是PIN管和一般二极管的根本 区别。即使在正偏流时，外信号幅度已进入负电压区，由于微波信号使层电荷移出量只占 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，但由于短暂的时间内正向注入到I层的载流子不多，载流子在I层渡越尚未来 得及构成复合电流时，微波电压已变为反向并吸出电荷，因此也不产生正向电流。在正向偏置情况并对轻掺杂N型本征层，流过二极管的电流为综上所述，PIN管在直流作用下，零偏压呈现高阻，反向偏压时阻抗加大，正偏时呈现 低阻，且偏流越大，R j阻值越低。在微波信号作用下管子的阻抗主

5、要取决于直流偏置的 极性和大小，而与微波信号幅度几乎无关。PIN管的微波阻抗只取决于直流偏置的特性，使 它非常适合于做微波控制器件。因此，可以利用小功率（直流）改变PIN管在微波电路中 的阻抗，以控制微波信号功率。负偏压时呈开路，而正偏压时呈短路，则可构成微波开关或 开关式移相器；微波信号在正向小电流偏置情况下，如果连续调节直流电流， R f 值连续 改变，从而可构成微波电控衰减器。PIN 二极管管芯等效电路 实际PIN管管芯等效电路，根据外加正偏或反偏电压有所不同。如图3 a,b所示分别为PIN管管芯的正偏等效电路及简化电路，c d所示分别为PIN管管芯 反偏等效电路。图中Rs为体电阻和欧姆

6、接触电阻，R j为I层电阻，当RfC时，sf w cj 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c j等 效，Rf很大可忽略，非耗尽层区由R 和并联等效。I层穿通后，非耗尽层区不存在， R很大，将其忽略，等效电路如图d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的频率上限和下 限。封装PIN二极管等效电路实际使用的PIN二极管大多数是有封装的。PIN管封装的形式有很多种，主要包括螺纹 管座型、同轴型、带状线型、微带型及梁式引线型，它们的结构形状不同，封装参

7、数也不一 样。图4给出了最常用的同轴型及梁式引线型封装的PIN管结构。封装PIN管等效电路如 图 5 所示。图5中Lp为封装电感，在零点零几纳亨以下；L 是引线电感，约为零点几纳亨到s几个纳亨； C p 是封装外壳电容，约为几皮法。微波开关微波开关是MIC控制电路的基本器件。PIN微波开关按不同功能可分为两种：一是通 断开关，如单刀单掷（SPST）开关，其作用是控制传输系统中微波信号的通断；另一种是 转换开关，如单刀双掷（SPDT）开关。SPST的典型应用为微波信号源用的脉冲调制器;SPDT 的典型应用为雷达发射机和接收机共用天线的收发转换开关，以及雷达多波束的转换控制。 如果用开关顺次把不同

8、电长度的微带线段短接，就可以构成步进相位的开关式移相器。微波开关从电路形式分有：串联型开关、并联型开关、串并联型开关；微波开关从电 路性能分有：反射式开关、谐振式开关、滤波器式开关、阵列式开关。单刀双掷开关 单刀双掷开关常用于共用天线的收发信机的接收和发射转换或自动测量系统，利用相 同的原理还可构成SP4T，SP8T等单刀多掷开关，实现微波信号按一定时序切换到不同通道 的功能。SPDT按PIN管联接方式，也可分为并联型和串联型两种电路，如图10所示，以并联 型电路为例来分析其工作原理。当D导通，D2截止时，由于D管近似短路，经过四 分之一波长传输线后，相当于开路，因此B2为开关的导通端，B1为

9、隔离端。反之，当D2 导通， D1 截止时， B1 为开关的导通端， B 为隔离端。1 1 2在实际的SPDT电路中，常在开关电路中外加调节电容和调节电感来补偿PIN二极管 寄生参量对开关性能的影响，以提高开关电性能指标。具体电路如图11所示，a是D 导通，D2截止的等效电路，虚线框内是二极管参数。对于D1管而言，Lp和Cp的影响可忽略，Cs与Ls串联谐振，故最后可简化为一个小电阻Rf，假定Bi端匹配，则相当于Rf与Z并联，由于Rf Z，则并联后的电阻依然是Rf，而Rf经四分，而之一波长的特性阻抗为ZZ 20的传输线后反映到分支点时其阻抗为 R ；对于D 2，由的容抗，因此分析时可忽略Ls的影

10、响，因此等效为Cj和Cps于Ls的感抗远小于Cjs的并联电容与电容Cs串联后的总电容C与Lp构成了串并联谐振，则最终等效电路为s纯阻的谐振阻抗。根据串并联回路的基本原理，此谐振阻抗为X?R，其中x= 1 wc，如r图lib所示。同理可得出D2导通，Di截止时的等效电路如图11c所示。(二)S)8P (dN)s)8p (Qe)smpm3freq=1,950GHz dB(S(2,2)二 0.025(czco)copmlfreq=1.950GHzdB(S(2,2)=-0.025(gsrnp (cJ7)smp (Ecsmpfreq, GHzfreq 二 1 950GHzdB(S(2s3)=-30.00

11、8cmmp (石-匸巴CQP(dsmpnn5-30. UD-50.05(二wmp (珂忍wrnp (Kdsmpm21.叮 1.?31.9*1.951.961.97-W1m5*-*| i i i | i i i i i i i i | i i i i i i i i (1.921.931.941.9E1.961.971.98freq, GHzm6freq= 1.950GHzdB(S(2n3)=-28.355 ptlter=96fneq: GHz11erati匚曲/丁rial #52:匚uth巳口tEF: 398.972547448059Opt i m i eat i vari 自上es:E =

12、859.982D = 1.3&57&匚=8.97422E： = 2.68639A = 5.4966&TL1.1 = 5.92115e-03TL1_U = 296.294e-0SSP Opt iml 1 . SP1 52 op111已r=52 f req =(1.92 GHz- 1 . 9 8 GHz )MW(U) pin -TFiE向偏琵等效电路(b) pin二极管反向偏置等致电路图I pin 管霁效电路Fig. I Equivalent cirruil of pin diodt1串联开关的隔离度受结电容决定 ,并随频率上升 而下降 。插入损耗主要受正向电阻影 响。对于单刀多掷开关,并联结构可

13、以实现更低的插入损耗 ,更高的隔离度 。但其工作频带难以展宽,这是 由于全并联单刀多掷开关的关断支路 对开通支路等效 为 1 /4波长短路线 ,而这个结构决定了全并联开关的 带通特性。全串联单刀多掷开关的关断支路对开通支 路等效为开路线,这一结构可以实现理论上的无限宽 带 。但是受串联用 P IN 管电参数的限制 ,其正向电阻 通常较大 ,导致全串联结构的插入损 耗较大 。综合上述良种电路优点的串并联电路是宽带单刀 多掷开关最佳的选择 。其简化 电路 原理图如图 4所 示。我们可以粗略地将这个电路分为 4个部分:公共 端 、并联管区 吸、收区和偏置部分。-BIAS 1公共端并联管区50: BI

14、AS N吸收区j偏置MSubMSUBMSublH=0.508 mm+ E3.5Mur1Cond=5.88E+7Hu=1.0e+033 mmT=0.017 mmTanD=0.002Rough=0 mmMLINN/AMurHuAT|0.017|50.000|90.000|1.95OE EffN/A N/A4NZA33rnrri二Jrnrri 二rnrri 二mi|Values are consistentCalculated ResultsK_Eff = 2.732A_DEI = 0.040SkinDepth = 0.070p Component耳 ID |MLIN: MLIN DEFAULTSu

15、bstrate Parameters|D |msije：_defaultGHz3miimiiCondQll|3.9e+34| mm 刁Component FdrametersWall2Physicalmm 二一 Synthesize一 AnalyzeElectrical| Ohmdeg 3 (NZA221 nzaTHNZA21A 1.Z.+7I M .-A11.125800123.251100如图1所示，发射端T x ,接收端Rx ,电路由直流电源DC提供偏置电压（正负5V）, D1D2 管之间用微带线联接以提高 开关的隔离度, 实际设计中, 可以继续使用二极管与 D 2 并联， 中间仍用微带

16、线连接以使隔离度达到设计目标 . DC 为正 5V 时 ， D1 导通正 偏 ， 近似等效为短路， 发射端与天线连接， 接收端 是低阻， 此时四分之一波长的微带线将 Rx端口的低阻抗转变 为天线的高阻抗，从而实现T x与An t端口为开状态，Rx端口 为“关状”态. 而当 DC 为负 5V 时， D1 反偏， 近似等效为断 路， 发射端高隔离， 接收端口 与天线连接,从而实现Tx端口为 关状态,Rx与Ant端口为开状态直流电源设置一 旁路 电容，各端口都与电容串联 这种设计理论上最大能达到30d B的隔离度和小于0. 25dB 的插入损耗 (二)S)8P (Gzwmp (coco)smpmlf

17、 req=1.950GHz dB(S(3,3)二 0219freq, GHz1.951.961.971.9820|_|_|_i i_i_i |_(1.92 1.931.94m3 freq=1.950GHz dB(S(2,2)=-15.574m2freq=1.950GHz dB(S(1,1)=-13.079(cxlis)cclp (2)S)8Pm5freq= 1.950GHz dB(SCI ,3)=-2Z806：F-10-15-2025 i i i i| i i i i |1.92 1.93 1.94m4freq=1.950GHz dB(S(1,2)=-2.854m3m3freq= 1.950G

18、Hz dB(S(3,3)=-0.221 optlter98(二coaop (Ndsmp (Eb)w)8pm2freq= 1.950GHz dB(S(1,1)=-19.223 optlteR98freq, GHzmlfreq=1.951 GHz dB(S(2,2)=-18.187 optlte 尸 98-10-15i | i i i i | i i i i | i i i i-201.921.931.941.951.961.971.98mlCO CMcoco co co p peq 二 1.950GHzB(S(1,2)=-0.234ptlte二 99m2freq= 1.950GHz dB(S(1

19、,3)=-2 optlte二 998.98440|_i_i |_i_i ii |i_i i_i_|_|_|_i_|_|_|i_i i_|_ii_|_i-1.92 1.931.941.951.961.971.98freq, GHz1 绪论1.1 本课题的研究背景及意义1.1.1 研究背景 在雷达、通信和其他微波系统中，常常要求对信号的传输进行控制，因而出现了各种类型的 微波控制电路，如微波开关、微波调制器、微波限幅器、电调衰减器和移相器作为微波控制 电路的核心器件。开关是微波信号控制中极其重要的内容之一，它已成为微波控制电路设计 中的一个基本概念，开关是在电子电路中用来中断或改变连接的设备1。几

20、年来，随着无 线通信技术的发展，对射频前端电路部分的要求越来越高。为了使用一套天线进行收发，就 需要采用单刀双掷开关进行收发切换。目前通信中的控制元件主要是具有体积小、重量轻、 控制功率小、控制速度快的微波半导体器件，如PIN管、FET管、变容管和肖特基管等。 FET和PIN二极管长期来一直用于开关应用中oPIN二极管是微波控制电路中应用最普遍的 一种器件，其特点是可控功率大、插入损耗小以及可得到近似短路和开路的良好特性，并且 PIN二极管的高频特性更为优越，是微波系统中不可或缺的重要器件2。利用PIN二极管 MEMS开关在特定的频段或工作模式下调整天线结构或天线单元。通过使用PIN二极管或

21、MEMS开关网络，这些结构的天线可以实现动态自适应并提供较强的自适应性。在许多方 面，微波电路的发展，遵循着低频电子电路的发展历程。在这个领域一直存在着压力和动力， 使得电子管向固态化发展，由大型元件向小型元件、集成电路器件方向发展，同时开发出新 系统。然而当提出“微波”这个名词时，似乎世人心目中只有微波炉这一设备，而不像在低 频电子领域，通过收音机、电子表、计算机、电视机、录像机等的拥有，产生了广泛的公众 影响和强烈的消费者需求。微波电路和微波系统最具影响的而且最有可能应用的领域有通 信、雷达、电子战、导航、监视和武器制导系统等等。目前微波系统正朝着电路小型化、高 度集成化、高可靠、低功耗、

22、大批量应用方向发展，拥有广阔的市场前景和巨大的社会效益 3o1.1.2 研究意义微波开关是微波控制电路的一种，它广泛应用于各种微波系统之中。宽带、高隔离度开 关，在电子侦察、对抗和多波束雷达、相控阵雷达等领域的需求强烈。因此研究低插损、高 隔离度、宽频带、小型化的微波开关具有实际的工程意义4。开关是微波信号控制中极其 重要的内容之一，PIN二极管可以用低直流电平来控制高功率射频信号，具有可控功率大、 插入损耗小以及可得到近似短路和开路的良好特性。它对微波信号不产生非线性整流作用， 这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件5。根据PIN二极管与传 输线的不同连接方式，最简单的开关

23、可分为并联型开关和串联型两种。按功能来分，常用的 开关电路有两种：一是通断开关，如单刀单掷开关，作用是控制传输系统中信号的通断；另 一种是换接开关，单刀双掷或多掷开关，作用是控制信号通路。一个理想的开关，在断开时 衰减无限大，导通时衰减为零。由于PIN管的阻抗既不能减小到零，也不能增大到无限大， 因此实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽 量大6。所以我们采用PIN二极管构成的单刀双掷开关作为天线开关实现从接收和发射到 天线切换传输的功能。1.2 微波控制电路的国内外研究现状及发展前景1.2.1 国内外研究现状 目前，微波技术的发展趋势是朝着电路小型化，高

24、度集成化，高可靠，低功耗，大批量应用 方向发展7。元件尺寸和性能是卫星通信、相控阵雷达系统、电子战以及其他军事应用等 电子系统设计需要考虑的主要因素，因而小体积和低成本推动着消费市场。满足上述要求的 方法是基于砷化镓的微波单片集成电路（MMIC）技术，在信息传输、通信、汽车和娱乐等 消费电子正起着越来越大的作用。虽然目前制造的很多MMIC工作在微波频段，随着更高 频率晶体管的成熟，在毫米波段的应用将越来越多8。微波开关，移相器和衰减器是广泛 用于微波控制的三种重要控制电路。例如，单部相控阵雷达系统可用几千个这样的电路来精 确控制辐射的波束。传统上，控制电路中的两类常用的有源器件是 PIN 和砷

25、化镓金属半 导体场效应晶体管（GaAs MESFET）。最近，微机电系统（MEMS）器件已经研制出来用于 射频开关和可变电容器，它们适合用于微波控制元件并向PIN二极管和MESFET提出了挑 战9。在通信系统的半双工收发电路中,通常采用开关切换技术来使收发通道公用一幅天线， 减小电路的体积和冗余。射频开关是用于控制射频信号传输路径及信号大小的控制器件之 一，在无线通信、电子对抗、雷达系统等许多领域中有广泛用途10。1.2.2 发展前景 随着现代无线通信系统的发展,移动通信、雷达、卫星通信等通信系统对收发切换开关的开 关速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求，我们对作为射频前端电路的重要部件

26、之 一的射频开关要求除了传统的高隔离、低插损、功率容量和开关速度等方面的要求外,还要 求开关线性度高，以及IIP3、集成制造和功耗等方面的要求。由于MEMS开关器件制作工艺 与CMOS工艺兼容，重量轻、体积小，适合大批量的生产的特点，适合与MMIC电路的结合应 用，具有广泛的应用前景。微波开关按制作形式可分为单片微波集成电路开关和混合微波集 成电路开关两种。其中单片微波集成电路开关以其体积小、重量轻、结构简单、制作容易和 可靠性高等优点逐渐代替了传统的混合微波集成电路开关。但由于单片微波集成电路开关难 以实现高的功率容量，传统的混合微波集成电路开关在某些方面有着不可替代的地位。传统 的混合微波

27、集成电路开关常用的有源器件有PIN二极管，GaAs场效应管等。其中，PIN二 极管是最主要的器件，具有开路和短路特性好、微波损耗小和可控功率容量大等优点，因此 在微波高频段和高功率电路中经常采用 PIN 二极管。通过阅览文献，我发现很多文献都对 天线开关的实现颇有研究，如文献11中采用一种性能优良的改进结构的GaAs二极管代替 常用Si PIN二极管来提高开关速度;文献12通过外加与PIN二极管相串联或并联的电抗来 改善开关闭合状态下的插入损耗和断开状态下的隔离度，外接电抗与二极管的电抗相抵消， 从而优化了开关在工作频率点处的特性;文献13提出串联结构的开关常用于在宽频带范围 内的插损小的场合

28、，这种电路实现简单，并联结构的开关常用于在宽频带范围内的需要隔离 大的场合，这种开关散热好且功率容量大，应用较多。但无论采用何种方法，都有各自的优 缺点。这就需要我们根据实际情况，选择适合的设计思路和方法。如何综合考虑各种因素， 提出最佳方案是我们以后研究的总体方向。1.3 研究思路1）要研究PIN天线开关，首先要了解微波控制电路及所用元器件的发展现状，学习PIN二 极管的工作原理。学习和研究微波仿真软件。2）对天线开关的结构和设计方法要有一定的了解，以选择合适的结构来完成1.9GHz天线 切换开关的整体构造。3）分析当前设计方法的优缺点，并考虑到实际情况针对一些功能提出理论改进方案及措施。1

29、.4 本论文所做的主要工作 本论文设计了天线收发转换开关以及提出了不同情况下可以采用的相应改进措施。所做的主 要工作如下：1）介绍了论文研究的背景，国内外的发展状况以及论文所做的工作。2）学习和研究了 PIN二极管的工作特性和微波开关的设计方法，针对PIN二极管的工作原 理及微波电路特性对开关电路进行进一步的分析，熟悉ADS微波仿真软件。3）讨论了在设计天线开关时可能遇到的问题，并在ADS界面上进行了仿真及优化。4）针对所设计单刀双掷开关的优缺点，进行分析，并根据实际情况对某些功能进行了改进 设计，理论性地提出了相应的改进方法，并进行系统仿真。5）对本文的设计结果进行了分析。2 微波元器件 P

30、IN 二极管介绍2.1 PIN二极管的结构PIN二极管是在重摻杂的P+和N+中间夹一层宽度较大的不摻杂的本征层。本征层又叫做I 层，将二极管极间电容减小，击穿电压提高。中间层的厚度为1100u m,这取决于应用要求 和频率范围。在电压是正向时，二极管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，低摻杂的内层产生空间电荷，其区域达到高摻杂的外层。这种效应即使在小的反向 电压下也会发生，直到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。 一般形式的 PIN 二极管及经台面处理的实用器件如图 1 所示，与常规的平面结构相比，台 面形式的优点是使杂散电容大为减少。图 1 PI

31、N 二极管一般形式及经台面处理结构2.2 PIN结特性PIN管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，都具有整流作用，其工作机理是：在零偏 压时，由于扩散作用，P区的空穴和N区的电子分别向I区扩散后复合，这样在I区边界附 近建立起一电场。由于这一建立起来的电场阻碍空穴和电子继续向I层注入，因此最终会达 到动态平衡，因此本征区处于不导电状态，在加反偏压时，PN结不导电的程度更甚。但是 在微波频率的特性却有很大差别。由于I层的总电荷主要是由直流偏置电流产生，而不是由微波电流瞬时值产生的，所以对微 波信号只呈现为一个线性电阻，此阻值由直流偏置决定，正偏压时阻值小，接近短路；负偏 压时阻值大，接近开路。

32、图2中信号1和信号2的微波电阻值一样。对于某确定的偏流状态， 不论加到PIN管上的微波信号幅度多大，PIN管相当于一个线性电阻，其阻值由偏流决定。 因此PIN管对微波信号不产生非线性整流作用，这点是PIN管和一般二极管的根本区别。 即使在正偏流时，外信号幅度已进入负电压区，由于微波信号使I层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，但由于短暂的时间内正向注入到I层的载流子不多，载流子在I层渡越尚未来得及构 成复合电流时，微波电压已变为反向并吸出电荷，因此也不产生正向电流。图2 PIN二极管伏安特性曲线在正向偏置情况并对轻掺杂N

33、型本征层，流过二极管的电流为（2.2-1）式中，是本征层宽度；A是截面积；是过剩的少数载流子寿命，它可以搞到1us的 量级；是轻摻杂N半导体中间层的掺杂浓度；指数项的因子2是考虑到存在有两个结。对 于纯本征层有 ，式（2.2-1）可导出如下形式：（2.2-2）由关系 可计算出总电荷。这样就可以求出扩散电容：（2.2-3）在反向偏置情况，这时I层的空间电荷长度对电容起支配作用。在小电压下，近似为，式 中 是本征层的介电常数。综上所述，PIN管在直流作用下，零偏压呈现高阻，反向偏压时阻抗加大，正偏时呈现低阻， 且偏流越大， 阻值越低。在微波信号作用下管子的阻抗主要取决于直流偏置的极性和大小， 而与

34、微波信号幅度几乎无关。PIN管的微波阻抗只取决于直流偏置的特性，使它非常适合于 做微波控制器件。因此，可以利用小功率（直流）改变 PIN 管在微波电路中的阻抗，以控 制微波信号功率。负偏压时呈开路，而正偏压时呈短路，则可构成微波开关或开关式移相器； 微波信号在正向小电流偏置情况下，如果连续调节直流电流， 值连续改变，从而可构成微 波电控衰减器。2.3 PIN二极管管芯等效电路实际PIN管管芯等效电路，根据外加正偏或反偏电压有所不同。如图3 a,b所示分别为PIN管管芯的正偏等效电路及简化电路，c d所示分别为PIN管管芯 反偏等效电路。图中为体电阻和欧姆接触电阻，为I层电阻，当时，可忽略容抗，

35、当大 偏流时， ，而当反偏较小时， I 层尚未穿通，耗尽区以 等效， 很大可忽略，非耗尽 层区由和 并联等效。I层穿通后，非耗尽层区不存在，很大，将其忽略，等效电路如图d 所示。（a）正向等效电路（b）正向简化电路（c）反向未击穿时的等效电路（d）反向击穿后的等效电路图3实际PIN管的正反向等效电路综上所述，若不考虑串联电阻，则PIN管的简化等效电路，正偏时等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的频率上限和下限。2.4封装PIN二极管等效电路实际使用的PIN二极管大多数是有封装的。PIN管封装的形式有很多种，主要包括螺纹管座 型、同轴型、带状线型、微带

36、型及梁式引线型，它们的结构形状不同，封装参数也不一样。 对于封装PIN二极管，考虑到管壳电容和引线电感后，其等效电路如图4所示。（a）正向偏置时的等效电路（b）反向偏置时的等效电路图 4 封装 PIN 二极管的等效电路所以PIN二极管的等效截止频率为（2.4-1）式中， 为正向电阻， 为反向电子， 为结电容，作为开关元件时，希望它们越小越好。3ADS2008 仿真软件的介绍3.1 背景简介 从20世纪80年代开始，微波电路技术应用方向已逐渐由传统的波导和同轴线元器件转移到 微波平面电路系统。然而，微波平面电路设计一直是一项比较困难和复杂的工作，需要工程 师在实践中不断调试才能完成。随着市场需求

37、的不断提升，近年来射频电路应用的频率变得 越来越高。为了满足高速率信号传输，信道带宽也越来越宽，电路的各项参数要求越来越严 格，产品的功能要求越来越多样化，电路的尺寸越来越小，而设计周期却越来越短，传统的 设计方法已经不能满足微波电路设计的需要。使用微波EDA（Electronic Design Automation， 电子设计自动化）软件工具进行微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。目前， 国外各种商业化的射频和微波 EDA 软件工具不断涌现，美国安捷伦公司推出的大型 EDA 软件 ADS2008 凭借其强大的功能和友好的界面，已经成为当今微波电路设计的主流设计开 发软件，为广大微波

38、电路设计者和研究者提供了强大的武器。ADS2008集合了多种EDA软件的优点，可进行时域、频域仿真，模拟电路、数字电路仿真， 线性、非线性电路仿真，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，已经得到业界的普遍认可，成为业界最为流行的EDA软件。3.2 ADS与其他电磁仿真软件比较商业化的射频EDA软件于20世纪90年代大量涌现，射频EDA是计算电磁学和数学分析 研究成果计算机化的产物，集计算电磁学、数学分析、虚拟实验方法于一体，通过仿真的方 法可以预期实验的结果，得到直接直观的数据，是射频工程师和研究人员的有力工具。 目前主流的电磁仿真软件主要基于以

39、下三种方法：矩量法，有限元法，时域有限差分法。目 前市场上商业化的EDA软件众多，受到业界欢迎的，其中以Agilent公司的ADS，Ansoft 公司的Designer、HFSS， AWR公司的Microwave office， CST公司的CST为主要代表。这 几款软件已经在各大院校和科研院所得到广泛应用。Ansoft Designer 采用了最新的视窗技术，是第一个将高频电路系统版图设计和电磁场 仿真工具无缝地集成的设计环境。不论是“蓝牙”收发系统、雷达系统，还是MMIC和RFIC, 都能够在 Ansoft Designer 简明统一的环境下顺利完成各种设计任务。Microwave off

40、ice 是一款与 ADS 类似的仿真软件。它能够提供针对微波混合模块及 MMIC 设计的完整解决方案，并能与世界级的电路仿真与电磁分析工具整合在一起。Ansoft HFSS是基于有限元法的针对高频结构的电磁仿真软件。它以仿真精度高、操作界面 方便易用、成熟的自适应网络剖分技术受到广大用户的欢迎。其直观的后处理器及独有的场 计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，但其缺点是占用内存大，仿真速度较慢。CST是一款基于时域有限差分法的高频结构电磁仿真软件。它对三维复杂结构仿真精度高， 计算速度快。 CST 在超宽带的计算上有时间优势，但对于大尺寸的设计，与实际测量结果 有一定差距。CST还有一个优势

41、是能够和ADS2008协同仿真。作为板级和 IC 级电路设计师， ADS momentum 是最好的仿真工具。 ADS2008 能够与目前 主流的3D制图软件进行导入和导出。但是，如果要仿真天线、键合线等在第三维度上非均 匀延展的结构，就需要全波三维求解器来协助。 ADS2008 中基于有限元算法的电磁场仿真 器一EMDS，完全解决了业界电路仿真软件与全波三维电磁场仿真器之间的连接。 在一个复杂的微波电路系统设计中，使用何种软件并没有定式，不同软件各有所长，需要设 计者长期积累的丰富经验和多个EDA软件共同来完成。3.3 ADS2008 概述ADS,即 HP Advanced Design S

42、ystem的简称。它是 Agilent Technoligyies公司新推出的一套 电路自动设计软件。 Agilent Technoligyies 公司把己有产品 HPMDS(Microwave Design System)和 HP EEsof IV(Electronic Engineering Software)两者的精华有机地结合起来，并 增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。功能强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真、频域电路仿真、三维电磁仿真、通信系 统仿真和数字信号处理仿真设计等，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高复杂 电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统

43、信号链路的设计工具。ADS 软件支持所有类型的 RF 设计(从简单到复杂，从离散的射频/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。 ADS 可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、 有效的设计和仿真这是以往任何自动设计软件都不能够的。所以，虽然ADS推出时间并不 久，却己被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。与以前产品MDS, EEsof的已有功能相比，ADS增强了部分己有功能，比如功能部件表示 (feature)、仿真技术;比如分层设计、设计集成等。另外，ADS还把原有功能进行推广。例

44、 如，包络仿真(envelop simulation)在MDS支持的，但EEsofW中就没有该功能。ADS即 按集大成的原则，支持包络仿真。ADS还支持DSP、对平面电磁场的动盘仿真(HP momentum for plannarelectromagnetic simulation)，以及时域的SPICE和卷积码仿真。在操作便利性方面， ADS2008 灵活使用了窗口技术。工具栏、快捷键、模板以及菜单等使人机界面更美观、方 便。另外，ADS还使用了器件图例、库浏览以及即时浏览各分层器件的实际电路等功能。 此外，Agilent公司还和多家半导体厂商合作建立了 ADS Design Kit及Mod

45、el File，以供设计 人员使用。使用者可以利用Design Kit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估及 MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供了辅助设计 功能，如Design Guide以范例指令方式示范电路或系统的设计流程，而Simulation Wizard以 步骤式界面进行电路设计与分析。ADS还能与其他EDA软件，如SPICE、Mentor Graphics 的 Modelsim、 Cadence 的 NC-Verilog、 Mathworks 的 Matlab 等进行协同仿真，再加上丰富的 元件应用模型库及测量/验证仪器间的连接功

46、能，大大增加了电路与系统设计的方便性、快 速性与精确性。ADS 主要操作窗口，其中包括主窗口、原理图设计窗口、布局图设计窗口和数据显示窗口 4 微波开关的设计4.1 微波开关的分类及相关介绍微波开关是MIC控制电路的基本器件。PIN微波开关按不同功能可分为两种：一是通断开 关，如单刀单掷（SPST）开关，其作用是控制传输系统中微波信号的通断；另一种是转换 开关，如单刀双掷（SPDT）开关。SPST的典型应用为微波信号源用的脉冲调制器；SPDT 的典型应用为雷达发射机和接收机共用天线的收发转换开关，以及雷达多波束的转换控制。 如果用开关顺次把不同电长度的微带线段短接，就可以构成步进相位的开关式移

47、相器。 微波开关从电路形式分有：串联型开关、并联型开关、串并联型开关；微波开关从电路性能 分有：反射式开关、谐振式开关、滤波器式开关、阵列式开关。下面我们重点介绍一下最常用的单刀双掷开关。单刀双掷开关常用于共用天线的收发信机的 接收和发射转换或自动测量系统，利用相同的原理还可构成SP4T，SP8T等单刀多掷开关， 实现微波信号按一定时序切换到不同通道的功能。SPDT按PIN管联接方式，也可分为并联型和串联型两种电路，如图5所示，以并联型电路 为例来分析其工作原理。当 导通， 截止时，由于 管近似短路，经过四分之一波长传输线 后，相当于开路，因此 为开关的导通端， 为隔离端。反之，当 导通， 截

48、止时， 为开关 的导通端， 为隔离端。（a）并联型（b）串联型图5 单刀双掷开关在实际的SPDT电路中，常在开关电路中外加调节电容和调节电感来补偿PIN二极管寄生 参量对开关性能的影响，以提高开关电性能指标。具体电路如图6所示，a是导通，截止 的等效电路，虚线框内是二极管参数。对于 管而言， 和 的影响可忽略， 与 串联谐振， 故最后可简化为一个小电阻 ，假定 端匹配，则相当于 与 并联，由于 ，则并联后的 电阻依然是 ，而 经四分之一波长的特性阻抗为 的传输线后反映到分支点时其阻抗为 ；对 于 ，由于 的感抗远小于 的容抗，因此分析时可忽略 的影响，因此等效为 和 的并联电容 与电容 串联后

49、的总电容 与 构成了串并联谐振，则最终等效电路为一纯阻的谐振阻抗。根 据串并联回路的基本原理，此谐振阻抗为，其中X=，如图6b所示。同理可得出导通，截 止时的等效电路如图6c所示。（a）等效电路（b）导通等效电路（c）隔离等效电路图 6 并联型单刀双掷开关等效电路4.2 微波开关的主要技术指标（1）截止频率对于封装的PIN二极管，考虑到管壳电容和引线电感后，其等效电路如图4所示。PIN二 极管的等效截止频率为 。式中， 为正向电阻， 为反向电子， 为结电容，作为开关元件时，希望它们越小越好。（2）插入损耗和隔离度PIN二极管实际上存在一定数值的电抗及损耗电阻，因此开关在导通时衰减不为零，称为正

50、 向插入损耗。开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度。二者是衡量开关优劣的主要指 标，一般希望开关的插入损耗小且隔离度大。对于串联型开关而言，在50 Ohm系统中，插 入损耗为 式中， 为正偏时的等效串联电阻； 为系统阻抗值。其隔离度为式中，C为反偏时的等效结电容值；f为测试频率；为系统阻抗值。对于并联型开关而言，在50 Ohm系统中，插入损耗为式中，为反偏时的等效结电容值； 为测试频率； 为系统阻抗值。隔离度为 式中， 为正偏时的等效串联电阻； 为系统阻抗值。（3）开关速度由于电荷的存在效应，因此 PIN 二极管从截止状态转变为导通状态，以及从导 通状态转变为截止状态都需要一个过程。这个过

51、程所需的时间为开关时间。开通延时为控制 脉冲 90%到受控微波脉冲包络 10%所需时间：开关开通时间为受控微波脉冲包络从10%到 90%所需时间，也叫上升沿；关断延时为控制脉冲的 10%到受控微波脉冲包络的 90%所需时 间，开关关断时间为受控微波脉冲包络从 90%到 10%所需时间，也叫下降沿。一般来说， 开通延时及关断延时主要取决于驱动器电路，而上升沿和下降沿主要取决于 PIN 二极管和 偏置电路的选择。（4）功率容量在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率为功率容量。它与PIN二极管功 率容量、电路类型（串联或并联）、工作状态（连续波或脉冲）及散热条件等有关。（5）电压驻波系数

52、 电压驻波系数仅仅反映端口输入、输出匹配情况。端口电压驻波比系数最小，开关的插损不 一定最小，但插损最小的开关其电压驻波系数肯定小。（6）谐波（7）PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波。PIN开关在宽带应用场合，谐波有可能落在使用频带内引起干扰。4.3 1.9GHz PIN单刀双掷天线开关的设计 微波开关电路设计的一般步骤是：根据电路性能指标要求选取合适的电路形式及元器件，然 后在ADS软件上进行设计、模拟仿真和优化参数最终得到符合要求的电路。本课题采用1/4 波长配合PIN开关，实现从接收电路和发射电路到天线的切换。因为连接开关的为50欧姆 的微带线，利用仿真软件，输入相关数值即可计算出

53、微带线宽及四分之一波长4.3.1 系统设计框图天线开关系统设计框图如图4.3.1所示图 4.3.1 系统设计框图4.3.2 微波开关的主流设计方法根据 PIN 二极管与传输线的不同连接方式，最简单的开关可分为并联型开关和串联型开关 两种。对于并联型开关，管子呈高阻态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；管子呈低阻抗时，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。对于串联型开关，情况恰好相反。串联结构的开关常用于在宽频带范围内的插损小 的场合，这种设计的电路实现比较简单，不需要在印制电路板上打孔。而并联结构的开关常 用于在宽频带范围内的需要隔离大的场合，这

54、种开关散热好，所以功率容量也就大。由于并 联型开关中管子易与波导传输线等连接，并有散热条件好等优点，因此在实际中并联型开关 应用较多。4.3.3 射频通信电路中单位的说明：50 欧姆的由来 大多数射频仪器和同轴电缆都具有50 欧姆的特征阻抗，在此简单推导一下其由来和意义。1、功率处理能力 考虑以空气作为电介质的同轴电缆，其存在着某个电压会使电介质击穿。对于内/外导体直 径比是固定值的情形，较小的内部导体，由于曲率半径较小，将使这个击穿电压降低，同时 也降低了电缆的功率传输能力。因此，为了提高击穿电压，可以加大其内径。同时，特征阻 抗就会增大，这又会减少传送到负载的功率。由于这两个相互制约的因素

55、，所以必须选择一 个合适的导体直径之比，它可使同轴电缆的功率传输能力达到最大。类似问题在射频设计过 程中常常遇到，因为在射频电路设计中必须考虑性能折中的问题，此时必须把某些性能降低 以便获得其他高性能。经过相关公式推导，即可得其阻值为30 欧姆。也就是说为了使一根 外径一定的空气介质传输线，具有最大的功率传输能力，希望选择其尺寸并使 等于 30 欧姆。 但是怎么推导出50 欧姆的呢？需要再考虑一个因素：电缆的信号衰减。2、衰减如果简化算法，即只考虑由电阻损耗引起的衰减。假设 是每单位长度的串联电阻， 在足够高频时， 主要是由趋肤效应引起的。为了减少 ，希望加大内部导体的直径，但同时 又减少了

56、，因此不清楚怎样才能达到预期目的。再次看到了在两种相互矛盾的影响之间的 竞争，并且再次希望最优值发生在某一特定的 处。经过相关公式运算， 约为77 欧姆。现 在得到了所需要的全部信息。首先，有限电视设备都是以75 欧姆为基础的，这是因为它几乎对应于最小的损耗。 这里由于功率较低，所以功率传输能力不成问题。为什么标准是75 欧姆而不是77呢？因为 工程师们喜欢圆整的数字。与此类似，这也是最终采用50欧姆的理由。由于77 欧姆损耗最 小，同时 30 欧姆可达到最大的功率传输能力，所以一个合理的折中就是取其平均值，这个 值经过圆整后就得到了50 欧姆。这也是本论文选用连接开关的为50 欧姆微带线的原

57、因。4.3.4 天线开关技术指标 单刀双掷开关仿真设计技术参数的要求如下：（1）通带 19201980MHz（2）带内插损小于 0.3dB（3）带内波动起伏小于 0.3dB（4）各端口反射系数小于-15dB（5）各端口隔离度小于-15dB4.3.5收发转换开关的等效电路图PIN二极管作T/R开关，从低HF到微波频段的模型都可以使用这种技术，PIN二极管 本质上是电流控制的电阻器。图2 为收发基本原理框图。图 2 收发基本原理框图当开关打开时，二极管未偏置，对信号呈高阻态。二极管D1与发射机信号串联，由此隔断 了信号，使其不能到达天线，二极管D2跨接在接收机输入端，对输入信号没有影响；当开 关闭

58、合时，情况正好相反， D1、D2 正偏。 D1 电阻很小，这样发射机的输出信号可以有效 传输到天线， D2 的电阻也非常小，它和接收机的输入跨接，将其短路，隔离网络是四分之 一波长传输线。4.3.6 元器件的选择本文使用Skyworks公司的PIN芯片SMP1322SMP1322011是一种表面贴装PIN二极管， 在正偏状态下，电流达到10毫安时，该二极管的等效电阻仅为0.5欧姆。四分之一波长开 关使用 SMP1322017 后，可以承受6.25瓦的完全不匹配全反射状态下的天线功率。这种 结构单刀双掷开关的上限频率主要限制于在PIN并行状态下的等效电容值。天线单刀双掷 开关中使用了两个PIN二

59、极管。D1的封装是SOD323, D2的封装是SOT23。D2的反 响并行等效电容最大为0.3Pf,在频率高达400MHZ的情况下，理论上可以达到大于25dB的 接收隔离。预计发射电路中的PIN二极管D1在10毫安偏置电流时，其插入损耗在0.1到 0.3dB 之间。4.3.7 系统仿真及分析从元件板中调出微带线MLIN及控件MSUB放到原理图中，确定所用PCB的介质基片和微 带线的有关参数，这里采用Taconic RF-35的板材，所有参数如下图所示。图 7 MSUB 参数微带线阻抗计算：执行菜单命令Tools LineCalc,在LineCalc对话框依照MSUB控件参数输 入，如图8所示。

60、因为连接开关的为50 Ohm的微带线，输入。单击Synthesize按钮即可 算出50 Ohm特性阻抗微带线宽为1.13mm,四分之一波长为23.3mm。图8 微带线阻抗及尺寸计算本文利用仿真软件和先进的计算机辅助设计工具进行仿真设计。采用ADS软件建立仿真模 型进行仿真和及性能参数的计算，再经过参数优化及匹配电路的优化设计进行优化仿真以达 到用预期的结果。具体方法如下：（1）添加 PIN 开关模型。从 Skyworks 公司网站下载 PIN 二极管的 ADS 模型文件 SMP1322.ZIP，解压后将里面所有的文件复制到ADS工程文件PinSwitch_prj中的networks 子文件夹中。二极管SMP1322-011和SMP1322-017的具体电路图如下所示：SMP1322-011SMP1322-017图 9 PIN 二极管 ADS 模型（2）在原理图设计窗口中依次放入各元器件，最终得到仿真设计原理图如图10所示：图 10 仿真设计原理图（3）单击数据显示窗口左侧工具栏中 进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。（4）单击数据显示窗口左侧工具栏中的 图标，放置一个方框到图形窗口中。这时会弹出一 个对话框，在左侧的列表里选择S（1,2），即S11参数，单击【Add】按钮会弹出一个对话框选 择dB,图形窗