多扇区天线阵列中的微带开关设计与实现

（ 国电子 科技 集 团公 司第 １ 究所 ， 中 ５研 北京 １０ ８ ） ０ ０ ３ 摘 要 ： 宽 带无线 网络 中 ， 了扩展传 输距 离和提 升 链路 速 率 ， 线 系统 的性 能至 关 重要 。提 出 在 为 天
了一 种应 用于 多扇 区天线 阵列 中的单 刀八 掷微 带开 关 ， 工作 频段 为 ５ ７－ ． Ｈ ， ． ５ ９Ｇ ｚ 多扇 区天 线 阵 列共 包括八 个扇 区， 个扇 区天 线水平 面波束覆 盖 范 围为 ４ 。 信 号通 过 单 刀八掷 微 带 开 关在 各 扇 每 ５， 区天线 间进 行 高速波 束动 态切 换 ， 而在 满足 高增 益 的 同时 实现 了水 平 ３ ０ 全 向覆 盖 。单 刀八 掷 从 ６。
得 到采用 并取得 了 良好效 果 ， 本文 涉 及 的多 扇 区 天 线 阵列就 是一种 波束 切换 天线 。波束 切换 天线 的硬
件基 础 支撑 平 台 主要 包 括 切 换 电路 组 件 和 天 线 组
智 能天线采用 空分复用技术 ， 信号 在传播方 向上 利用
的差别 ， 实现 同频率 同时隙 的信 号无 干 扰并 行传 输 ， 从 而大大扩 展通 信 系统容 量 ； 外 ， 能 天线 动 态调 此 智
微 带开 关 由微 带线和 ＰＮ二极 管构成 ， Ｉ 通过 采 用 Ａ ＳＭ ｍ ｎｕ 电磁 场 仿 真 工具 进行 仿 真及 实 际 Ｄ ｏ ｅ ｔｍ
生产 并进行 测试 ， 结果 表 明所设计 的单 刀八掷微 带开 关的插入 损耗 、 离度 和驻 波 比等 关键 性 能指 隔
标均 达到设 计要 求 。
第 ３期
２１ ０ ２年 ６月
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Ｖｏ ． １７ Ｎｏ． ３
Ｊｎ ２ ｌ ｕ． ０２
多扇 区天 线 阵 列 中 的 微 带 开 关 设 计 与 实 现
雷 昕， 冯 狄， 韩仲 华 ， 海 川 徐
收 稿 日期 ：０ ２０ —５ ２ １－３１ 修 订 日期 ：０ ２０ —７ ２ １－５０
件 ， 中切换 电路 组件 是 实 现 波束 切 换 功 能 的 关键 其
２１ ０ ２年第 ３期
雷
昕 等： 多扇 区天线阵列 中的微带开关设计与实现
３１ １
部分 ， 负责将 信 号 在 多天 线 扇 区之 间进 行 分 配 。其 主要 形式 为射频 微 波 开关 电路 ， 射 频 开关 电路 的 在
ｕ ａ ｔ ｒ ｅ ｔａ ｅ ｄ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｆ ａ ｈ ｅｆ ｒ ｎｃ ｆＳ Ｔ ｍｉｒ ｓｒｐ ｓ ｔ ｈ ｉ ｃｕ ｎ ｎ ｅ — ｆｃ ｕ ｅ ｔ ｓ ｒ ｏ ｅ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｐ ｒｏｍａ ｅ ｏ Ｐ８ ｃ ｏ ｔｉ ｗｉ ｎ ｌ ｄｉｇ ｉ ｓ ｒ ｃ ｔｏ ｏ ｓ ｓ ｌｔｏ ｎ Ｗ Ｒ ｅｓ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｄ． ｉｎ ｌｓ ，ｉｏ ａｉｎ ａ ｄ ＶＳ ｍｅ ｔ ｈ ｅ ｎ
管 间距 。
时对 微波 信号 只呈 现 为一 个 线 性 电 阻 ， 阻值 由直 此 流偏 置决 定 ， 偏 置 时阻 值 小 ， 近短 路 ； 向偏 置 正 接 反
时 阻值很 大 ， 近开路 。总之 ，Ｉ 接 ＰＮ二极 管 对微 波 信 号不 产生 非线性 整 流 作用 ， 其微 波 阻 抗 只取 决 于 直 流偏 置特 性 ， 是 ＰＮ二 极 管 和普 通 二 极 管 的根 本 这 Ｉ 区别 －］ ３。 带 封装 的 ＰＮ二极管 正 向偏 置 和反 向偏置 时 的 Ｉ 等 效 电路 ， 图 １所示 ， ｓ 引线 电感 ， ｐ为管 壳 电 如 Ｌ为 Ｃ 容 ，ｆ Ｒ 为正 向电阻 ， ｊ Ｃ 为反 向 电容 ， ｊ 反 向 电阻 ， Ｒ为
故 反 向状 态 可 近 似 以 ｊ ｊ 示 ， 反 两 种 状 态 下 阻 ｘ表 正
抗 的 比值 ／ 称 为 开 关 比， 以 衡 量 ＰＮ开 关 的 用 Ｉ
优 劣 。欲使 开关 的性 能 优 良 ， 必须 尽 可 能 提 高 开关 比， 即应 尽量 减小 Ｃ值 和 Ｒ 值 ｆ 。 封装 寄 生参量 对开 关性 能会 引起不 利影 响 。串 联 电感 Ｌ 增加 了正 向 阻抗 ， 联 电容 Ｃ ｓ 并 ｐ则 减 小 了 反 向阻抗 ， 开关 比降 低 。可附加 调谐 元件 ， 正 向 使 使
关键 词 ： 带开 关 ；Ｉ 微 ＰＮ二极 管 ； 多扇 区天线 阵列
中 图分类号 ： Ｎ ２ Ｔ ８ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：６ ３５ ９ （ ０ ２ ０ —１ － １７ ．６ ２ ２ １ ） ３３ ００ ４
Ｄｅ ｉｎ ｎｄ Ｉ ｐ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｉｒ ｓｒｐ Ｓ ｔ ｈ ｉ ｕ ｔ－ ｅ ｔ ｒ ｓｇ ａ ｍ ｌｍ ｎｔ ｔｏ ｆＭ ｃ ｏ ｔ ｉ ｗｉｃ ｎ Ｍ ｌｉｓ ｃ ｏ
ｌｋ ｍｎｉｄ ｒ ｃｉ ｎ ｌａ ｔｎｎ ｔｗｉｈ ｍ ｕ ｈ ｈ ｇ ｅ ａｎ． Ａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｕｓｎ ｉｅ ｏ — ｉｅ ｔ ａ ｎ ｅ ａｂｕ ｔ ｃ ｉｈ ｒｇ ｉ ｏ ｓｍｕ ａｉ ｉ ｇ ＡＤＳ Ｍ ｏ ｎ ｕ ａ ｄ ａ ｍａ — ｏ ｍｅ ｔ ｍ ｎ ｎ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｍ ｉｒ ｓｒｐ ｓ ｔ ｈ；ＰＩ ｄｉｄ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｏ ｔｉ ｗｉｃ Ｎ ｏ ｅ； ｍｕ ｔ－ｅ ｔｒ ａ ｔ ｎ ａ ａ ａ ｌｉｓ ｃｏ ｎ ｅ ｎ ｒ ｙ
整 的定 向波束 可 以抑制 同频 干扰 ， 高信噪 比和链 路 提
０ 引 言
作 为无线 网络 物理 层技术 的主要研 究方 向之一 ， 天线技术是 目前 的热点研究领 域 ， 特别 是具备 自适应
ＩＡ＝ ｔ － ／ ａ ／ ｎ －
极管不 具有 一般 二 极管 的单 向导 电性 和 整 流 效应 ，
其微 波 阻抗 主要 取 决 于直 流 偏 置 的极 性 和 大小 ， 与 微波 信号 的幅度 几乎无 关 。ＰＮ二极 管 在 正 向偏 置 Ｉ
式 中 ， 二 极 管截 止 时归 一化 电纳 ； 为 ＰＮ二 极 ｂ为 Ｚ Ｉ
多种 形态 中 ， 带线 与 ＰＮ 二级 管 构 成 的 开关 电路 微 Ｉ 具备 性能 高 、 本低 和结构 紧凑 等优 点 ， 别适合 应 成 特 用 于 中低 功率 射频 电路 。 结合波束切换 天线概念 ， 出了一种应用 于多扇 提 区天线 阵列的单刀八 掷射 频开关 电路 ， 工作 在 ５ ７～ ． ５９Ｇ ｚ ． Ｈ 频段 ， 多扇 区天线 阵 列 共包 括 ８个 扇 区， 每 个扇 区天线水平 面波束 覆盖 范 围为 ４ 。信 号通 过单 ５， 刀八掷 射频开关 电路在各 扇 区天线 问进行 动态切换 ， 从而 实现 ３０ 水平 全 向覆 盖。单 刀八 掷微 带开 关 由 ６。 微带 线和 ＰＮ二极管 构成 ， 过 采用 Ａ Ｓ Ｍ ｍ ｎｕ Ｉ 通 Ｄ ｏ ｅｔｍ 电磁 场仿 真工具进行仿 真及 实际生 产并进行 测试 ， 结
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｎ ｅ ａ ｉ ｙ ｉＳ ｅ ｉ ｈ ｏ ｄ ａ ｄ ｗｉｅ ｅ ｓ ｎｅｗｏ ｋ ． Ｉ ｒ ｅ ｏ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ａ ｔｎｎ Ｓ ａ ｋｅ Ｓ Ｈ ｎ ｔ ｅ ｂｒ ａ ｂ ｎ ｒ ｌｓ ｔ ｒ ｓ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｂ ｏ ｄ ｎ ｔ ｅ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｄ ｓａ ｃ ｎ ｎ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｌｎ ａ ａｒ ｔ ｒ ａ ｅ ｈ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｉｔ ｎ ｅａ ｄ ｉ ｅ ｅ ｓ ｈ ｉ ｋ ｄ ｔ ａｅ．ａ Ｓ Ｔ ｃ ｏ ｔｉ ｗｉｃ ｒ ｉ ｇ ａ Ｐ８ ｍｉｒ ｓｒｐ ｓ ｔ ｈ ｗｏ ｋ ｎ ｔ５． ７ ＧＨｚ ５． ＧＨｚ ｕ ｅ ｎ ｍｕｔ— ｅ ｔｒ ａ ｔ ｎ ａ ａ ｒ ｙ ｉ ｒ ｐｏ ｅ ９ ｓ ｄ ｉ ｌ ｓ ｃｏ ｎ ｅ ｎ ｒａ Ｓ ｐ ｏ ｓ ｄ．Ｔｈ ｒ ｒ ｏ ａｌ ｅ ｔｒ ｎ ａ ｈ ｉ ｅ ｅ ａ ｅ ｔ ｔｌｙ ８ ｓ ｃ ｏ ｓ ａ ｄ ｅ ｃ ｓ ｃｏ ｎｅ ｎ ａ 。 ｅ ｍｗｉ ｔ ｅ ｔ ｒａ ｔｎ ａ ｈ ｓ４５ ｂ ａ ｄ ｈ．Ｔｈ ｉｎ ｌｓ ｔ ｈ ｓ ｒ ｐｄｌ ｍｏ ｇ ｔｅ ｅ ｓ ｃｏ ｎ ｅ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｅ ｓｇ ａ ｗｉ ｅ ａ ｉ ｙ ａ ｎ ｈ ｓ ｅ ｔ ｒ ａ ｔ ｎ ａ ｈ ｏ ｇ ｈ ｃ Ｓ ８ ｍｉｒ ｓｒｐ ｓ ｔｈ ｄ ｎ ｍｉａｌ ．Ｉ ａ ｈ ｔｔｅ ｍｕ ｔ．ｅ ｔｒａ ｔｎ ａ ａ ａ ａ ｋ ０。 ｏ ｅ ａ ｅ Ｐ Ｔ ｃ ｏ ｔｉ ｗｉｃ ｙ ａ ｃ ｌｙ ｔｍｅ ｎｓｔ ａ ｈ ｌｉｓ ｃ ｏ ｎ ｅ ｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｍａ ｅ３６ ｃ ｖ ｒ ｇ
联 Ｐ Ｎ二极 管结 构如 图 ２所 示 。 Ｉ
果表 明 ， 计 的单刀 八掷 微带 开 关 的插 入损 耗 、 所设 隔
离度 和驻波 比等关键 Ｉ 生能指标均达 到设计 要求 。
图 ２ 并联 Ｐ Ｎ 二 极 管 结 构 Ｉ
１ 基 本 理 论
ＰＮ二极 管是微 波 开关 中应 用最 普 遍 的二 级管 Ｉ 型 ， 结构是 在重 掺杂 的 Ｐ区和 Ｎ 区 中间夹 一 层宽 其 度较大 的不 掺杂 的本征 区 ， 征 区也称 为 Ｉ区。ＰＮ 本 Ｉ 二极管 的直 流伏 安特性 和 普通 Ｐ Ｎ结 二 极管 是 一样 的 ， 是在 微 波频 率 的特 性 却 有 很 大 差 别 。ＰＮ二 但 Ｉ
Ａｎｔ ｎ ｒ ｙ ｅ ｎａ Ａｒ ａ
Ｌ ｎ， ＥＮＧ ， ＥＩＸｉ Ｆ Ｄｉ ＨＡＮ ｏ ｇ ｈ ａ， Ｚｈ ｎ — ｕ ＸＵ ｉｃ ｕ ｎ Ｈａ — ｈ ａ
源自文库
（ ｈｎ ｌ ｔ ｎｃ ｅ ｈ ｏ ｇ ｒｕ ｏｐ ｒｔ ｎＮ ．１ ｅｅｒｈ Ｉｓ ｔｔ ， ｅ ｉｇ１ ０ ８ ， ｈｎ ） Ｃ ｉａＥ ｅ ｒ ｉｓ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｇ ｏ ｐ Ｃ ｒｏａ ｏ ｏ ５ Ｒ ｒａ ｎｔｕｅ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ Ｃ ｉａ ｃｏ Ｔ ｏ ｉ ｃ ｉ ｊ
调整天线方 向图能力 的智能 天线技术受 到广泛 关注 。
增益 ， 而增 大系统覆盖距离 并提升链路吞 吐量 。 从
波 束切 换 天线 作 为智 能 天 线 的一 种 实 现形 态 ，
和 自适 应 天线 阵相 比 ， 备 计 算量 少 ， 价 比高 ， 具 性 结
构 简单 ， 易于 实现等 优点 ， 在一 些专 用通 信系 统 中已
时得 到 串联 谐振 ， 向时并联 谐振 ， 反 因而 得 到高 的开
关 比。 当开 关 比相 同 ， 二极 管 正 反 向 阻抗 相 对 于 而 传 输线 特性 阻抗 稍大 时 ， 于做成 串联 结构 ； 宜 而相 对
于传输 线特 性 阻抗 较 小 时 ， 于做 成 并 联结 构 。并 宜
其 中 。
当多个 ＰＮ二极 管 级联 时 ， 了使 总 隔离 度 最 Ｉ 为
当二极 管 并 联 在 传 输 线 上 ， 归 一 化 导 纳 为 其
Ｙ＝ ｊ ， 其插 入损耗 ｇ— ｂ时 则
０（ ｌ ｇ ［
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（） ２
当多个 ＰＮ二 极管 级联 时 ， 了使 总插 入 损 耗 Ｉ 为
最低 ， Ｉ ＰＮ二极管 间距 应满 足式 （ ） ３