收稿日期：
２０１３ ０６ １７
作者简介：廖雯（１９８７ ），女，四川遂宁人，硕士生，主要从事微组装工艺设计。 文章编号：
１００４ ２４７４（２０１４）０３ ０３６０ ０３一种宽带吸收式ＳＰＤＴ开关的设计与实现 廖 雯１，唐光庆２，邓立科１，吴光春１，张 雨１
（１．中国电子科技集团公司第２６研究所，重庆４０００６０；２．
中国人民解放军驻重庆气体压缩机厂军事代表室，重庆４０００５０） 摘 要：
射频开关作为微波通信系统的一种关键部件，广泛应用于各种军用电子系统中。该文详细介绍了一种基于ＰＩＮ二极管的单刀双掷开关的设计技术和实现方法，测试结果表明，该开关在２～８ＧＨｚ频率范围内，插入损耗小于２．２ｄＢ， 隔离度大于７０ｄＢ。关键词：单刀双掷开关；ＰＩＮ二极管；插入损耗；隔离度中图分类号：ＴＭ２５；ＴＮ６１ 文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＢｒｏａｄｂａｎｄＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＴｙｐｅＳＰＤＴＳｗｉｔｃｈ
ＬＩＡＯＷｅｎ１，ＴＡＮＧＧｕａｎｇｑｉｎｇ２，ＤＥＮＧＬｉｋｅ１，ＷＵＧｕａｎｇｃｈｕｎ１，ＺＨＡＮＧＹｕ
１
（１．２６ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｎｅｓｅＰｅｏｐｌｅＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＡｒｍｙＭｉｌｉｔａｒｙＤｅｐｕｔｙＳｔａｔｉｏｎｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＧａｓＬｏｍｐｒｅｓｓｏｒＦａｃｔｏｒｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
ＲＦｓｗｉｔｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｍｉｌｉｔａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓｔｅｍｓａｓａｋｅｙｄｅｖｉｃｅｉｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｏｍｍｕｎｉ ｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｄｅｓ
ｉｇｎｏｆｐｉｎｄｉｏｄｅｓｉｎｇｌｅｐｏｌｅｄｏｕｂｌｅｔｈｒｏｗ（
ＳＰＤＴ）ｓｗｉｔｃｈ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｗｉｔｃｈｈａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｏｆ２～８ＧＨｚ，ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ２．２ｄＢａｎｄｉｓｏｌａｔｉｏｎｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ７０ｄＢ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＰＤＴｓｗｉｔｃｈ；ｐｉｎｄｉｏｄｅ；ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ
０ 引言
射频开关在雷达、微波通信和电子对抗系统领域有着广泛的市场需求。ＰＩＮ二极管被用来构建电子开关元件，易于集成为平面电路，且能高速运行，成本经济，所以广泛应用于射频开关、移相器、衰减
器等微波电路中［１］
。
本文设计的宽带吸收式单刀双掷射频开关是电子系统中广泛使用的重要部件之一，吸收式射频开关具有在传输、隔离状态下支路信号保持端口匹配的特点，提高了系统性能。 １ 电路设计与分析
传统的ＰＩＮ串联射频开关具有在宽频带范围
内传输损耗低的特点，但其隔离度较差，难以实现高隔离的要求。而单纯的ＰＩＮ并联射频开关之间由于有１／４波长的微带线，会造成工作频率偏移而引起开关性能下降，开关的工作频带较窄，难以实现宽带的要求。结合上述两种电路分析，
为了拓展工作带宽，保证隔离度的要求，本文将选择ＰＩＮ二极管
串
并联型连接的方式。为了进一步改善开关性能，在支路上还采用了多个ＰＩＮ二极管并联的形式，能
进一步提高开关的隔离度［
２］
。
本文设计的射频开关电路如图１所示。其中，
Ｊ０为输入端，Ｊ１、Ｊ２为输出端。当Ｋ１为正偏置，Ｋ２反偏置时，Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４呈低阻抗，Ｄ１呈高阻抗，负载Ｒ１短路，
开关断开，此时Ｊ０和Ｊ１端口断开；而Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９呈高阻抗，Ｄ６、Ｄ１０呈低阻抗，端口Ｊ０和Ｊ２连通，相当于开关连通。相反，如果Ｋ１为反偏置，Ｋ２
为正偏置时，Ｊ０和Ｊ１端口连通，Ｊ０和Ｊ２端口断开
。
usb暖手鼠标垫图１ 单刀双掷开关电路图
第３６卷第３期压 电 与 声 光
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．３２０１４年０６月
ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ
Ｊｕｎｅ２０１４
当Ｋ１正偏置、Ｋ２反偏置时，Ｊ０和Ｊ１端口隔离，
Ｊ０和Ｊ２端口连接，
此时等效电路如图２所示。其中Ｒｓ为ＰＩＮ二极管的正向串联电阻，如果选用Ｓｋｙ ｗｏｒｋｓ公司生产的ＡＰＤ０８０５ ０００，
其电阻约为１Ω；Ｃｊ为ＰＩＮ二极管的反向等效电容，
该型号二极管反偏电容约为０．１３ｐＦ。Ｊ０与Ｊ１处于隔离状态时，
选择Ｒ１＝５０Ω，实现通道与Ｊ０、Ｊ１的阻抗匹配；Ｊ０与Ｊ２处于传输状态，Ｒ１和Ｒｓ的并联电阻小于１Ω，相当于短路，此时Ｊ０、Ｊ２均为５０Ω的阻抗。此设计的两通道完全对称，当Ｊ０与Ｊ１处于传输状态，Ｊ０与Ｊ２处于隔离状态时，通道与端口也仍匹配到５０Ω的阻抗。因此，信号在传输过程中始终与端口保持阻抗匹配，这种匹配式开关在工作频段内具有较小的驻波系数，减小信号反射，提高系统性能，增加系统的可靠性
。
图２ Ｊ０与Ｊ１隔离、Ｊ２连通时的等效电路
２ 开关设计的实现
２．１ 电路实现
电路基板采用Ｒｏｇｅｓ５８８０介质材料，相对介电常数为２．２，基板厚为０．２５４ｍｍ，微带传输线厚为０．０３５ｍｍ。将微带电路板、ＰＩＮ二极管、
厚膜电阻利用导电胶Ｈ２０Ｅ和腔体粘结在一起，在高温下烘烤使其固化。
２．２ ＰＩＮ二极管的选择和安装
ＰＩＮ二极管的选取主要考虑其正向偏置串联电阻Ｒｓ＝１Ω，反向偏置状态下的Ｃｊ＝０．１３ｐＦ，载流子迁移时间τ＝５０ｎｓ。ＰＩＮ二极管的阴极与腔体粘结，阳极通过金丝超声键合的方式和微带线互连。焊点间的金丝互连，可等效为一个串联电感，如果焊点间同时键合２、３根金丝，则相当于２、３个电感的并联。本设计中采用双线键合的方式，能有效降低由于金丝引入的插入损耗，减小寄生电感。设计中ＰＩＮ二极管的控制器件，即ＰＩＮ管驱动器，由一路同相输出、另一路反相输出组成。其上升沿、下降沿偏移时间的典型值均为１０ｎｓ，能有效提
高开关速度。
２．３ 偏置回路
偏置信号加到二极管上时，必须带有射频（ＲＦ）扼流装置和隔直流装置，以便把它与射频信号隔离。如图１所示，偏置回路由隔直流电容、射频旁路电容和射频扼流电感组成。偏置回路对微波信号的影响要小，又要使开关时间不受影响，因此合理选择线圈匝数小，线圈直径小，自谐振频率高的微型线圈和芯
片电容相结合，可达到较理想的效果［３］。无人自助超市
２．４ 电磁屏蔽
微波信号的空间泄露和器件连线的串扰是影响隔离度的两个主要因素。把微带线置于腔体槽中屏蔽，如果有多个分块功能电路则应放置在不同的分腔中，可有效实现电磁屏蔽。微波器件的电源与控制信号则应放在微波板背面腔体，单独用中频板处理，可防止信号串扰。
３ 测试结果
匹配式开关的仿真与测试结果对比，如图３、４所示。在整个工作频率范围内，匹配式开关的传输损耗实测结果趋势较仿真结果有一定的频率偏移，传输损耗的仿真结果在整个频段内小于０．４９４ｄＢ，而实测结果则小于２．２０８ｄＢ。匹配式开关隔离度的仿真结果在－７２～－９８ｄＢ之间线性变化，而由于矢量网络分析仪基底噪声的影响，测量结果在－７０～－９０ｄＢ的范围内反复震荡
。
图３
匹配式开关传输损耗的仿真与实测结果的对比
图４ 匹配式开关隔离度的仿真与实测结果的对比
肖秀丹
为进一步验证开关的隔离度，我们在工作频率范围内选择８个频率点，利用信号源从输入端发射
第３期廖雯等：一种宽带吸收式ＳＰＤＴ开关的设计与实现
３６１
信号，在隔离端用频谱仪接收信号，两者的差值，即为隔离度。测试结果如表１所示。回转窑烧嘴
表１ 利用信号源、频谱仪在工作频段内
测量８个频点的隔离度
频率／ＧＨｚ
输入端
功率／ｄＢｍ
隔离端输出
功率／ｄＢｍ
隔离度／ｄＢ
２３－９１．５１－９４．５１３３－９５．３３－９８．３３４３－９１．４１－９４．４１５３－９８．５５－１０１．５５６３－９６．１８－９９．１８７３－９４．３２－９７．３２８３－９５．１９－９８．１９４ 结束语
本设计的射频开关具有宽带、匹配的特性，实现了预期的效果。通过进一步的优选偏置回路和ＰＩＮ二极管的参数可实现更高的工作频率。
参考文献：
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檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶
３２ ３７．
（上接第３５６页）
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