一种大功率高隔离度射频SPDT开关的设计
一种高耐压SPST天线调谐开关设计
网络与通信•Network and Communication一种高耐压SPST天线调谐开关设计夏小辉，林福江(中国科学技术大学微电子学院，安徽合肥230026)摘要：设计实现了一款高耐压单刀单掷天线调谐开关，用于Sub-6GHz的天线孔径调谐、阻抗调谐以及宽带开关％设计采用串-并联和体区自适应偏置结构，兼顾插入损耗和隔离度；此外基于传统的堆叠结构进行改进，通过设计各级晶体管的尺寸不均匀，极大程度地提高了开关并联支路承受电压的能力；通过采用两级偏置网络，减小了栅端和体端的泄露从而削弱关断状态下寄生电容不等效应，最终实现支路电压耐受能力的提高%所提出的设计采用130nm SOI CMOS工艺，仿真结果表明工作频率为0.1GHz~5GHz，导通电阻为1.24!，关断电容为112£F，插入损耗为0.14~0.48dB，隔离度带内大于30dB，电压承受能力大于60V%关键词：SPST天线调谐开关；非均匀堆叠结构；两级偏置网络；高耐压中图分类号：TN432文献标识码：A DOI:10.19358/j.issn.2096-5133.2021.05.012引用格式：夏小辉,林福江.一种高耐压SPST天线调谐开关设计[J],信息技术与网络安全,2021,40(5):68-73.Design of a high voltage handling SPST antenna tuning switchXia Xiaohui,Lin Fujiang(School of Microelectronics,University of Science and Technology of China,Hefei230026,China)Abstract:This paper presents a high voltage single pole single throw antenna tuning switch,which is used for Sub-6GHz antenna aperture tuning,impedance tuning and broadband switch.The design adopts series-parallel and adaptive bias structure of the body region,taking into account the insertion loss and isolation degree;In addition,based on the traditional stacking structure,the size of transistors at all levels is not uniform,which greatly improves the ability of the switch parallel branch to withstand voltage.And by using a two-stage bias network,the leakage of gate end and body end is reduced,and the parasitic capacitance unequal effect is weakened in the off state,thus the tolerance of branch voltage is improved.The circuit design is based on130nm SOI CMOS process.Simulation results show that frequency range is0.1to 5.0GHz,the on-off resistance is less than2!,the turn-off capacitance is less than150fF,the insertion loss is0.14~0.48dB,the isolation is more than30dB,and the voltage handling is more than60V.Key words:SPST antenna tuning switch；asymmetric stacked structure；two一stage offset network；high voltage handling0引言随着5G通信的迅速发展与应用，对传输数据速率的要求越来越高，目前提升数据传输速率采用的主要技术有载波聚合(Carrier Aggregation,CA)、有源天线系统(Active Antenna Systems,AAS)、多路输入/输岀(Multiple Input Multiple Output,MIMO)[1]$因为新一代智能手机中的天线数量不断增加，以及智能手机追求更大屏占比的工艺设计趋势，所以这些天线需要安装到更小的空间内，天线数量的增加、尺寸的减小导致天线效率降低，进而影响发送和接收性能、电池续航能力,甚至岀现连接问题&为了有效解决这些矛盾，智能手机中目前主要采用天线调谐[2-6]技术来提高多频段信号传输的天线效率&通过在天线不同位置与地之间连接天线调谐器(包含开关、电容与电感等),改变天线谐振频率实现多频段信号高效率传输&由于天线可能工作在失配的情况下，此时天线上的电压是正常工作时的数倍，因此天线调谐开关设计必须考虑耐压能力&一般可以通过选取GaAs等大功率器件解决这一问题，但其成本较高，且集成度较差&因此最近几年Network and Communication• 网络与通信射频开关的设计多采用SOI CMOS 工艺，相比GaAs 工艺，其兼顾成本和性能⑺讥由于SOI CMOS 工艺中，单个晶体管电压承受能力有限，因此该工艺下的射频开关在处理 大功率信号时多采用堆叠结构［9-10］"该结构由于体端和栅端存在较大泄露电流，导致电压摆幅在堆叠结构中各级晶体管的分布不均，使得 射频开关支路总的电压处理能力受到极大限制。
5G通信基站大功率射频开关设计
0 引 言
大功率射频开关体积小且成本低，被广泛应用 于射频毫米波通信系统，以控制信号的导通和断开。 随着 5G 技术在全球范围内受到关注，将 5G 技术推 广到射频通信领域是目前的研究热点 [1]。毫米波通 信和波束成形等都是 5G 通信中的关键技术，而天线 是这些技术应用中的关键器件，射频开关则是天线的 重要电子元器件之一，可以快速控制信号通断。有开 关存在的天线能使得可重构的多波段相控阵实现几微 秒的动态重构，可以用于对工作频率差别要求较大的 情况。传统的 PIN 开关无法满足工作过程中驱动电压 的控制要求，因此本文设计一种 5G 通信基站大功率 射频开关来弥补传统开关性能不足的问题。
关键词：5G 通信基站；大功率射频开关；电路结构；电极设计
Design of High Power Radio Frequency Switch for Base Station in 5G Communication
ZHU Yan (China Information Consulting & Design Institute Co., Ltd., Nanjing ，高 博，等 . 一种用于 5G 移动通
信基站的大功率射频开关 [J]. 半导体技术，2020，45 （2）：128-132. [2] 刘文学，陈诗军，葛 建，等 . 基于 GNSS 邻域相似 性的 5G 基站纳秒级时间同步技术研究 [J]. 通信学报， 2020，41（1）：180-190. [3] 王 伟，宋家友 . 一种大功率高隔离度射频 SPDT 开 关的设计 [J]. 科学与信息化，2018（26）：26-27. [4] 方峪民 . 无线通信基站雷害防护原理与工程设计要点 研究 [J]. 通讯世界，2018（3）：39-40. [5] 武海涛，秦 磊，刘 佳 . 通信基站电源系统探讨： 浅析通信基站电源设备安全运行防护原理与解决办
一种宽带吸收式SPDT开关的设计与实现
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：ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＢｒｏａｄｂａｎｄＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＴｙｐｅＳＰＤＴＳｗｉｔｃｈＬＩＡＯＷｅｎ１，ＴＡＮＧＧｕａｎｇｑｉｎｇ２，ＤＥＮＧＬｉｋｅ１，ＷＵＧｕａｎｇｃｈｕｎ１，ＺＨＡＮＧＹｕ１（１．２６ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｎｅｓｅＰｅｏｐｌｅＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＡｒｍｙＭｉｌｉｔａｒｙＤｅｐｕｔｙＳｔａｔｉｏｎｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＧａｓＬｏｍｐｒｅｓｓｏｒＦａｃｔｏｒｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲＦｓｗｉｔｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｍｉｌｉｔａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓｔｅｍｓａｓａｋｅｙｄｅｖｉｃｅｉｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｏｍｍｕｎｉ ｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｄｅｓｉｇｎｏｆｐｉｎｄｉｏｄｅｓｉｎｇｌｅｐｏｌｅｄｏｕｂｌｅｔｈｒｏｗ（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。
大功率装置用多路输出高压隔离新型开关电源设计方案
大功率装置用多路输出高压隔离新型开关电源设计夏凌辉，吕征宇，费万民（浙江大学电力电子国家重点实验室，浙江杭州310027）摘要：基于专利技术［1］，通过设计高频交流电流源和一种特殊的输岀变压器，研制了一种用于短路故障限流器中晶闸管驱动的多输岀开关电源。
给岀了主电路拓扑结构，叙述了输岀变压器的结构及特点，分析了系统的工作原理，进行了校验电源有效性的仿真，开发了一台样机并成功应用在限流器实验装置中。
关键词：多路输岀；高压隔离；驱动电源；短路故障限流器1引言随着高压大功率电力电子装置的不断发展，串接在一起的驱动电源之间，往往需要承受极高的工作电压。
近来，多级隔离技术越来越多地被用在电路的驱动系统中，以满足高电压隔离的需要；但这同时也使得开关管的驱动电路越来越复杂。
如图1所示是一个使用在三相接地系统中的固态短路限流器。
它是由晶闸管三相整流器和一个限流电感组成的。
限流器主要被用在15kV的电力系统中。
考虑到电源电压的波动，晶闸管阻断电压限制和均压系数等因素，图1中所示限流器中的每个晶闸管阀在实际中必须要用8 个6kV等级的晶闸管串联组成。
这样在限流器中的晶闸管总数达到了64个，则至少需要有61路高压隔离驱动电源用到这些晶闸管的门极驱动中。
所以，开发一个新型的电源用作限流器中晶闸管的门极驱动电源是一项非常重要的任务。
图1 三相接地系统固态短路限流器主电路拓扑Dusan M. Raonic ［2］提出了一种晶闸管自我供能的门极驱动方式，它把一个缓冲电容作为能量存贮单元，解决了几乎每个功率开关管都存在的对隔离电源的需求。
但是，这种方式只能被用于工作在功率变换器直流侧的晶闸管和GTO的门极驱动中。
Chang Liuchen ［3］研制了一种驱动板电源用于三相逆变器中大功率IGBT的驱动，它通过一个多绕组的变压器，实现了4路相互隔离的输岀。
这种电源的缺点是随着输出路数和隔离电压的增加会导致变压器的结构很复杂，体积极庞大。
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。
高可靠性大功率射频设备供电开关组设计
１．引 言 大 功 率 射频 设 备是 卫 星 导航 地 面站 与 空间卫星 之间 的无 线 电接 口，担负着 大系统 出站信 号发射和入 站信号接 收的重 要任 务 。 为保 证射 频设 备 的不 间断运行 ，采 用ＵＰＳ电 源 供 电 ，设 备通 过 供 电开 关 组 （包 括 接 线 板 、套 筒插座等 ）连接在 配 电柜上 。卫星 导 航地面站 运行 以来， 由于长 期加 电和器件老 化等 原因 ，个别 套筒插座 出现打火 、接线板 插座控 制开关 出现跳 电等 现象 ，造 成相应 设 备无 法工作 ，严 重威胁 了系统 的稳 定运行 。 为避 免此类现 象的再次发 生，确保 系统长期 不 间断稳定运行 ，根据各 类插座工 作的实 际 情况 ，设计 了基 于卫星 导航地面站 的高可 靠 性大 功率射频设备供 电开关组 。 ２．开关组设计 方案 高可 靠 性 大功 率射 频 设 备供 电开 关 组 设计 思想是双 备份原则 ，设计方案 主要包 括 射频 机房机柜供 电设计 方案和射频 设备供 电 设计 方案 ，具体 如下。 ２．ｉ射频机房机柜 供 电设计 方案 考虑 到 原 接线 板 插座 本 身质 量 及 老 化 问题 ，加之 目前控制开 关出现松 动的接线 板 数 量较 多 ，为 彻底 消 除 隐患 ，计划 对 原 接 线 板全 部用 新型 带有 过 电保护 功能 的５孔 接 线板 进行更换 。并结合 发射机房环 境相对 恶 劣 ，容 易造 成 套筒 插 座 出现 类似 打 火 等 现 象 ，为降低 由其异常带 来的设备 断 电，计 划 将 原来每个机柜 的套筒插座去 掉不用 。 目前， 由于所有 设备 由一路 ＵＰＳ供 电， 故 一 旦该 线 路 出现 问题 ，将 导致 卫 星 的 出 站 与入站全部 中断 ，为 降低 出入 站 同时 中断 的概 率 ，计划 为每个机 柜再增加 １路ＵＰＳ供 电 线 路 （由ＵＰＳ机柜 直接 引出 ，后 端接 一个 新 型 ５孔接 线板 插座 ，考 虑到 接线 板插 座保 护 开关 与空气开 关性能相 当，且 目前 已无 多余 空 间安装 空气 开关 ，故 接线板前 省去空气 开 关 ），将 上变频器和５ＭＢｚ分配 器插至原ＵＰＳ供 电线路更换后 的接线板 ，将 下变 频器和场 放 控制 器插至新 增ＵＰＳ供 电线路接 线板 ，原ＵＰＳ 供 电线路上 的另外新型接线板作 为备用 。 另 外 ，射 频 设备 高 功放 改 造 即将 进 入 安 装阶段 ，主用卫星 每个射频机 房将新 增两 台固态功放 ，共需４路ＵＰＳ供 电，同时为保 险 起 见，计划每 个射频机 房再增加 ２路ＵＰＳ供 电 新 型５孔接 线板 ，作为 应 急备 用插座 ，故 改
一种高频大功率吸收式开关设计
一种高频大功率吸收式开关设计作者：李群春来源：《科技资讯》2016年第01期摘要：本文在8-12GHz的高频大功率吸收式PIN开关的设计、制作中，提出了多种新的措施方法，对于成功研制大功率开关具有重要作用。
该开关插入损耗小于1.4dB、驻波比：≤1.3：1、隔离度大于50dB、连续波功率大于800W。
具有高功率容量、高频带宽、损耗小的特点，对于高频大功率开关的研制，具有广泛的推广应用价值。
关键词：PIN开关；吸收式；功率容量；中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-000 引言在雷达收发等电子系统中大功率的高频开关电路作为控制器件，实现微波信号的通、断或转换，其中基于PIN 二极管的微带型开关电路，因具有耐功率高、响应快、体积小、重量轻等优点而得到广泛应用。
本文设计的8-12GHz高频大功率吸收式开关具有承受连续波大功率、高隔离度以及低插入损耗的特点，具有推广应用价值。
1高频大功率开关设计[3-6]1.1 PIN吸收式开关工作原理吸收式单刀双掷开关的原理图如图1。
K0为输入端，K1、K2为两个输出端，当V1加负压即二极管D1为反偏状态，D1相当于开路，所以从输入端向K1端看，输入阻抗基本为零，信号可以到达K1端口；而V2加正压即二极管D2正偏状态，D2相当于短路，它离输入面的距离为λ/4，所以从输入端向K2端看，输入阻抗无穷大，信号无法到K2端口。
加正压时，电阻R2和L2并联然后同D2串联到地，R2为50欧姆，所以从K2端口向D2面看，相当于50欧姆到地，信号基本没有反射，达到吸收设计要求。
1.2高频大功率开关电路性能优化设计由于8-12GHz开关，大功率、低插损、吸收式的设计要求。
本设计首次采用单臂三节全并联结构，最后一节加50欧姆和电感到地，使其在关断状态时为吸收态，而不是全反射。
首次采用三线键合工艺和微带线T型结设计，根据上述条件进行优化仿真键合线长度和弧度、T型结尺寸。
一种大功率高隔离低插损多通道的射频开关模块[实用新型专利]
![一种大功率高隔离低插损多通道的射频开关模块[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8262e9365022aaea988f0fb9.png)
专利名称：一种大功率高隔离低插损多通道的射频开关模块专利类型：实用新型专利
发明人：杨迪
申请号：CN201820469968.2
申请日：20180330
公开号：CN207939492U
公开日：
20181002
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了包括一种大功率高隔离低插损多通道的射频开关模块,其三个单刀三掷开关包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3；功分器上设置有端口X1；功分器公共端通过传输线TL1与端口X1连接，功分器的两个支路分别通过传输线TL2和传输线TL3与开关S1和开关S3连接；开关S2通过传输线TL4和传输线TL5分别与开关S1和开关S3连接。
传输线TL2和TL3长度相等，传输线TL4和TL5长度相等。
本实用新型提供的大功率高隔离低插损多通道的射频开关模块中3个单刀三掷开关均有较低的插损；其中传输线TL4和TL5、传输线TL2和TL3的长度相等，进一步的保证了该射频开关模块具有较高的相位一致性。
申请人：成都安普利电子有限责任公司
地址：610000 四川省成都市武侯区武青南路33号
国籍：CN
代理机构：成都正华专利代理事务所(普通合伙)
代理人：李林合
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一种大功率射频同轴开关的设计
行系统的零件的边缘，避免出现加工毛刺，拐角加工 成圆角。此外，防止微波导行系统内污染，降低耐功 率阈值，装配前用酒精清洗零部件，还要在满足洁净 度要求的专用操作间内进行装配和调试等，而且存放 环境应洁净，防止出现污染物 。 [10]
3 产品实测结果
根据以上设计，将产品加工完成后进行实际试
验测试，得到实测结果与技术指标要求的对比如表 2
根据微波导行系统结构大间隙设计要求，本型 号开关选用螺线管式磁路结构，其特点是磁利用率高， 铁芯的行程较大 [8]。结合技术指标的振动要求，对 电磁转换系统进行结构设计，在 Maxwell 软件中建立 结构模型，进行电磁仿真分析 [9]。
通过仿真分析，磁路中的磁感应强度未达到产 品选用的软磁材料的饱和值，因此开关的电磁转换系 统结构设计可以满足整体结构及技术指标要求。电磁 转换系统仿真结果如图 6 所示。
所示。由对比可知，该产品具备低驻波比、低损耗以
及低气压环境功率耐受能力强的特点，产品的结构设
计满足用户技术指标要求。
表 2 主要性能指标对比
主要指标 某型号大功率射频同轴开关 用户使用要求 符合性
驻波比
≤ 1.08
6.27
隔隔隔离离离度/度d度//BddBB
-0.012 -0.012 -0.014 -0.014 -0.016 -0.016
Name X
Y
Name X
Y
m1 800.0000 -0.0179
m1 800.0000 -0.0179
-0.018 -0.011080.00
100.00
200.00 300.00 400.00 500.00 200.00 300.00 400频.00率/M5H0z0.00
1.010
一种高隔离度射频开关电路[发明专利]
![一种高隔离度射频开关电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0f6cc3f1227916888586d79b.png)
专利名称：一种高隔离度射频开关电路专利类型：发明专利
发明人：刘成鹏,王国强,何峥嵘,邹伟,蒲颜申请号：CN201510367290.8
申请日：20150629
公开号：CN104953996A
公开日：
20150930
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种高隔离度射频开关电路，包括基本单刀单掷射频开关单元和滤波器单元，其在基本单刀单掷射频开关单元的参考地C点，通过键合丝寄生电感L串连电感L与地相连，形成直流通道，通过键合丝寄生电感L串连电容C与地相连，电感L串连电感L与通过键合丝L与参考地C点连接的电容C并联，形成滤波器。
因此，在不影响射频开关到地直流通路的情况下，通过将键合丝寄生电感L吸收进滤波器，降低了键合丝寄生参数对射频开关隔离度的影响，通过调整滤波器的电感L和电容C值，可以有针对性的提高射频开关在不同频率下的隔离度。
与传统射频开关比较，本发明的高隔离度射频开关隔离度可以提高5～10dB，同时不会影响射频开关插入损耗等电特性。
申请人：中国电子科技集团公司第二十四研究所
地址：400060 重庆市南岸区南坪花园路14号
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：汤东凤
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一种改进型宽带SPDT开关的设计及其应用
一种改进型宽带SPDT开关的设计及其应用
吴青锋;张晓苗;应涛
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2009(036)005
【摘要】描述了单刀双掷PIN管开关的原理,提出了一种改进的3倍频程宽带开关,并给出了设计和测量结果,具有频带宽、隔离度高和捕损低的特点,弥补了传统并联二极管带宽窄的缺点,结合其在实际天线阵列中的应用,验证了该开关的实用性,给出了其在天线阵中的测量结果.
【总页数】3页(P9-11)
【作者】吴青锋;张晓苗;应涛
【作者单位】西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN814+.7
【相关文献】
1.一种宽带高隔离度SPDT开关的设计与实现 [J], 张晨新;麻来宣;梁建刚;龙戈农
2.宽带小型化高隔离度SPDT开关的研制 [J], 王玉章;田殷;王正伟;来晋明;羊恺
3.一种具有低插入损耗耗PIN SPDT开关设计 [J], 吴云飞;董艳红;侯宪春;张漫;何生晖
4.一种改进型有载分接开关拓扑的设计与仿真 [J], 徐杰;袁敏;徐伟明
5.一种宽带吸收式SPDT开关的设计与实现 [J], 廖雯;唐光庆;邓立科;吴光春;张雨因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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.。