一种大功率高隔离度射频SPDT开关的设计

一种大功率高隔离度射频SPDT开关的设计

摘要PIN二极管（以下简称PIN管）被广泛地应用于RF、UHF和Microwave circuits中。在半双工射频通信系统中，PIN管的特殊阻抗特性，使其成为单刀双掷（缩写SPDT）开关的重要组成部分，并越来越多地用于接收和发射的切换系统中。本文首先介绍了PIN管的组成，在正偏和反偏两种状态下的等效模型；并通过对比其在SPST（缩写SPST）开关中三种组合的性能，以及分析分离元件型SPDT开关在目前收发系统使用中遇到的问题，提出了一种新的SPDT开关解决方案。

关键词半双工；偏置；SPDT；大功率；高隔离度

前言

PIN管的本征层的总电荷主要由偏置电流产生。在射频通信中，PIN管会呈现出一个线性电阻，此阻值由直流偏置决定，正向偏置时阻值小，接近于短路；反向偏置时阻值大，接近于开路。这种可变阻抗的特性使其很适合在射频电路中做开关控制器件。

本文设计了一种新型的大功率高隔离度射频SPDT开关电路，工作频段为100MHz-200MHz，承受载波功率100W以上，发射到接收端口的隔离度在70dB 以上[1]。

1 基本原理

普通的二极管由PN结组成，在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征（Intrinsic）半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管，如图1。

PIN管对射频信号的开关控制是通过改变其偏置电压来实现的。当正向偏置时，PIN管处于导通状态，如图2所示，等效为电感L和电阻RS的串联。其中RS 是导通电阻，阻抗小于1Ω，该值决定其插损；L是PIN管的等效电感，电感值小于10nH。

当反向偏置时，PIN管处于截止状态，如图3所示，等效为电容Cτ和电阻RP并联后，再和电感L串联。其中Cτ是结电容，容值小于10pF，该值决定其隔离度；Rp是PIN管的截止电阻，阻值趋近于无穷大。

我们常见的三种二极管使用连接方式如下：图4为串联型，图5为并联型，图6混合型。其隔离度和插损指标如表1所示，我们可得出，串联型的插损最小，混合型的隔离度最大[2]。

在半双工线通信系统的应用中，典型的SPDT电路如图7所示，其中：Tx

为发射机，Rx为接收机，Ant为天线下同。在话音进来时，偏压Bias Vcc 使二极管D1和D2正偏、导通，信号通过C1-D1经Ant发射出去，接收链路近似短路；由于发射链路和接收链路属于并联的形式，为了使发射链路的交流阻抗不受D2短路的影响，通过分立器件C2-L2-C3组成的匹配电路进行阻抗变换，将其射频阻抗变换到无穷大；即从Ant向Rx方向看去，交流阻抗达到无穷大，直流阻抗不会发生改变，从而保证信号从Tx流向Ant时，不会到达Rx。反之，偏压为非正压，即二极管D1和D2截止，Ant接收的信号只能通过L2-C4到达Rx。

上述阻抗变换电路，对于小信号，不会出现失配；在通过大功率信号时，会出现负载失配，驻波过大，隔离特性也会恶化[3]。

2 一种新型射频SPDT开关设计

基于以上发现，现将电路做如下改进，如图8所示。

大功率高隔离度射频SPDT开关的原理如下：发射时，偏压Vcc1，不仅保证D1导通，使发射链路接通，而且使D3也导通，使接收通路对地电阻近似为0欧姆；偏压Vcc2远高于Vcc3，使D2截止。接收时，偏压Vcc1为0V，D1截止使发射通路断开，D3也截止；偏压Vcc2为0V，Vcc3保证D2正偏导通，Ant接收到的信号经D2后到达Rx。采用本电路时，不仅隔离度可以增大20dB 左右，而且电路有更宽的频率响应范围。Vcc2的高压可以根据功率作适当调整，功率越大，电压应越高。本设计和上述的阻抗变换电路相比，接收通道插损会恶化0.1～0.2 dB。

为了保证其性能，电路中应选用大功率、低插损和高隔离度等性能的二极管，高Q值的射频电感和高耐压值的射频电容；在几处偏压附近增加滤波处理。如果电磁环境恶劣的环境下，应添加屏蔽来增加其EMC特性[4]。

3 结束语

本文详细分析了PIN管在射频中开关方面的应用，并设计了一种基于分离元件组成的大功率高隔离度射频SPDT开关。通过电路分析，我们可以看到承受功率和隔离度等性能有明顯提高，能够满足无线收发系统对SPDT开关的要求。

参考文献

[1] 顾颖言.PIN管控制电路功率容量的确定[J].现代雷达，2005，（3）：60-64.

[2] 章敏，蔡德林，任凤.基于PIN管的开关限幅器仿真与设计[J].电子技术，2013，（3）：71-72.

[3] 刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2011：111-112.

[4] 薛正辉，杨仕明.微波固态电路[M].北京：北京理工大学出版社，2004：83-86，271-282.