CN207625533U

CN207625533U - Ka波段单刀双掷PIN开关

Info

Publication number: CN207625533U
Application number: CN201721876266.8U
Authority: CN
Inventors: 许家耀; 户国梁
Original assignee: Nanjing Changfeng Space Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Changfeng Space Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2027-12-28

Abstract

本实用新型涉及Ka波段单刀双掷PIN开关，主要适用于毫米波仿真测试系统、毫米波通信、毫米波雷达等领域，包括射频电路、偏置电路、驱动电路，其特征在于，所述的驱动电路用于给射频电路、偏置电路提供驱动电流；射频电路为阵列式开关电路，单路射频电路包括若干梁氏引线PIN管串联形成的多PIN管开关电路结构，并且单路射频电路输出端连接有吸收电路；单路射频电路在输出端隔直电容前连接驱动偏置电路；射频电路公共端在隔直电容后连接对地偏置电路。本实用新型的优点：工作频带宽；高隔离度、低损耗；导通、截止状态下均可实现低驻波；体积小、TTL控制，便于安装使用；低成本。

Description

Ka波段单刀双掷PIN开关

技术领域

本实用新型涉及Ka波段单刀双掷PIN开关，主要适用于毫米波仿真测试系统、毫米波通信、毫米波雷达等领域。

背景技术

现阶段，微波频谱日趋拥挤，毫米波频段以其波长短、频带宽、全天候、对烟、雾适应能力也比较强的优点脱颖而出，在军事雷达、民用通信以及毫米波仿真测试系统等各个方面有关广泛的应用。而随着毫米波技术的快速发展，对各类毫米波器件的需求也日益强烈，毫米波开关属于毫米波控制电路的一种，主要应用于毫米波信道的通断与切换，在各类毫米波发射系统、接收系统中均有广泛应用。

在微波控制电路中，常用的控制器件有两类：PIN管和MOSFET管。PIN管可控微波功率大、损耗小、且具有比较理想的开关特性；MOSFET则多应用于单片集成，在MMIC(微波集成电路)中有着独特的优势，但随频率升高，隔离度有所下降。因此，在毫米波开关方面，多选择应用PIN管形式，利用PIN管正偏导通、反偏截止的特性实现毫米波信道的切换。

目前，国内生产Ka波段毫米波开关的厂家还比较少，而国外虽有比较成熟的系列产品，但价格高昂、订货周期长。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种可以满足Ka波段30GHz-40GHz的宽带工作频率、保证导通、关断状态下输出端口均有着良好的驻波特性的Ka波段单刀双掷PIN开关。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：Ka波段单刀双掷PIN开关，包括射频电路、偏置电路、驱动电路，所述的驱动电路用于给射频电路、偏置电路提供驱动电流；射频电路为阵列式开关电路，即单路射频电路由若干梁氏引线PIN管按一定规律布局串联形成的多PIN管开关电路结构，并且输出端加有吸收电路用于改善开关截至状态下的输出端驻波；单路射频电路在输出端隔直电容前连接驱动偏置电路（隔直电容起隔直作用，防止驱动电路的直流或低频分量输出至输出端），射频电路公共端在隔直电容后连接对地偏置电路（隔直电容起隔直作用，防止驱动电路的直流分量反向输出至公共端），驱动偏置电路和对地偏置电路均由λ/4高阻线、与高阻线连接的扇形电路（扇形电路采用90度扇形结构，扇形半径也为λ/4长度）以及通过金丝键合至馈电绝缘子（或地）的另一段高阻线组成（该高阻线长度与内腔尺寸匹配），λ为中心频率在微带线上的相波长。

Ka波段单刀双掷PIN开关，还包括结构壳体，结构壳体采用双面铣腔的方式，正面腔体安装射频电路及偏置电路，背面腔体安装电源驱动电路：正面腔体采用窄腔设计；采用馈电绝缘子在正反面腔体之间进行驱动电流的传输。

单路射频电路由4级按一定规律布局串联的梁氏引线PIN管形成的多PIN管阵列式开关结构以及位于多PIN管结构输出端的吸收电路组成。一定规律布局是指：相邻梁式引线二极管在微带线上的间距为λ/4，λ为中心频率在微带线上的相波长。

所述的吸收电路包括串联设置的一个梁氏引线PIN管和一个50Ω电阻，该梁氏引线PIN管与多PIN管结构并联连接，该梁氏引线PIN管在其所在通路导通时处于截止状态，在其所在通路截止时处于导通状态。

采用的PIN管为梁式引线封装形式，梁式引线采用无管壳设计，在芯片上直接焊接引线，靠加厚的引线来支撑芯片，具有寄生参量小、截至频率高、噪声系数低、开关速度快等优点，非常适合用于Ka频段（其中梁式引线PIN管为现有技术）。

偏置电路采用λ/4高阻线、与高阻线连接的扇形电路（扇形电路采用90度扇形结构，扇形半径也为λ/4长度）以及通过金丝键合至馈电绝缘子（或地）的另一段高阻线组成，该偏置电路可实现将驱动电路提供的驱动电流几乎无损的传导至射频电路上的PIN管（通过驱动偏置电路实现驱动电流的接入，通过对地偏置建立驱动电流回路），从而可以驱动PIN管导通或截至；而对射频通路传导的Ka频段信号，偏置电路呈现很高的阻抗，对Ka频段信号近乎断路，所以对射频通路Ka频段信号的传导几乎无影响，保证了器件低损耗、低驻波、高隔离的指标特性。

驱动电路主要由单片双路驱动器及限流电路、电源滤波电路组成，单片双路驱动器实现将两路输入的TTL逻辑电平转换为驱动PIN管截至、导通的正、负电流输出至驱动偏置电路，且两路输入输出相互独立；限流电路用来限制输出电流大小，防止电流过大烧毁PIN管；电源滤波电路实现对驱动电路的供电电源的滤波，改善因电源纹波、电源过冲等引起的器件指标恶化情况。

相对于现有技术，本实用新型可以满足Ka波段30GHz-40GHz的宽带工作频率；采用吸收式电路结构，保证导通、关断状态下输出端口均有着良好的驻波特性；具有体积小、重量轻、损耗低、隔离度高、响应速度快、成本低的优点。

本实用新型通过仿真计算合理选择PIN管及基板，改善电路结构，增加吸收电路，保证了开关性能能够达到使用需求。偏置电路摒弃手绕电感，改为使用λ/4高阻线加扇形电路，改善了器件的指标，也便于调试。设计使用馈电绝缘子进行正反面腔体间的连接，改善了腔体内信号通过空间辐射的串扰。

本实用新型的优点：工作频带宽；高隔离度、低损耗；导通、截止状态下均可实现低驻波；体积小、TTL控制，便于安装使用；低成本。

附图说明

图1为PIN管封装等效电路图；

图2为射频电路开关电路结构图；

图3为驱动偏置1、驱动偏置2电路图；

图4为对地偏置电路图；

图5为射频电路及偏置电路微带电路片图；

图6为结构壳体正面铣腔设计图；

图7为成品外形尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的应用范围。

本实用新型主要的组成部分为三部分：射频电路、偏置电路、结构壳体及驱动电路。

1)射频电路设计

a)PIN管选择

PIN管的封装等效电路图如图1所示，PIN管的正向电阻R_f与反向结电容C_j对PIN管的插损及隔离度有着至关重要的影响，因此，要实现低损耗、高隔离的指标要求，需要选择R_f尽量小，C_j 尽量小的PIN管；而由封装产生的管壳电容C_p以及引线电感L_INT，则会大大降低PIN管的开关性能，在频率高的时候尤其严重：当PIN管工作频率处于管壳电容C_p及引线电感L_INT的谐振频率附近时，导通、截止性能完全改变。也就是说，PIN管的工作频率受到管壳电容C_p及引线电感L_INT的限制，因此，为使PIN管可以工作于频率很高的Ka波段，需要尽量减小器件的管壳电容C_p及引线电感L_INT，而梁式引线二极管的C_p及L_INT可以做到很小。基于以上两项综合考虑，本实用新型中采用的为R_f和C_j值较小的梁式引线PIN二极管，梁式引线封装采用无管壳设计，在芯片上直接焊接引线，靠加厚的引线来支撑芯片，具有寄生参量小、截至频率高、噪声系数低、开关速度快等优点，非常适合用于毫米波频段（选用型号为MA-COM公司的MA4AGBLP912,其R_f约为4Ω，C_j约为26fF）。

b)电路设计

本实用新型采用微带线PIN开关形式，首先需要对基板进行选择，因毫米波频率较高，为防止高次模的出现，需要选择介电常数较低、厚度较小的基板，并且，在实际设计中，尽管抑制了高次模的出现，也需要考虑微带线的色散效应，对微带线参量加以修正。

单PIN的开关性能随着工作频率的升高，性能会变差，单管的PIN开关性能指标往往达不到应用要求，为改善单开关性能，本实用新型采用阵列式开关电路形式：即单路射频电路由若干梁氏引线PIN管按一定规律布局串联形成的多PIN管开关电路结构，在图2中，射频电路由两路单路射频电路组成，经过仿真计算，采用4级串联PIN管既可达到较高的隔离度，满足应用要求。实际设计中控制每级梁式引线二极管在微带线上的间距为λ/4（根据工艺要求、仿真结果等需要进行微调)：λ为中心频率在微带线上的相波长，相波长根据选择的微带板的有效介电常数可以计算得出，而微带板的有效介电常数又与基板的厚度、介质介电常数、微带线宽度、色散特性等相关。通过实际测试表明阵列式开关电路形式可以得到较好的导通驻波特性和较高的隔离度。

在毫米波仿真测试等系统中，对截止状态的驻波也有较高的要求，本实用新型采用在单路射频电路输出端增加吸收电路的形式实现截止状态下的低驻波要求，吸收电路由一只梁式引线PIN二极管及一只50Ω电阻串联组成，该梁氏引线PIN管与多PIN管结构并联连接，该梁氏引线PIN管在其所在通路导通时处于截止状态，对通路基本无影响，在其所在通路截止时处于导通状态，这时，电路等效为将输出端口直接端接至50Ω电阻，电阻作为匹配吸收负载，使输出端口在开关截止状态也可以获得良好的驻波特性。

同时，为防止从驱动电路流入的直流或低频驱动电流输出至单路射频电路输出端或反向输出至射频电路公共端，还需在输出端口及公共端口增加隔直电容。

射频电路电路图如图2所示。

2)偏置电路设计

PIN管导通、截止工作状态的实现需要依赖外加电路驱动实现，因此，需要对射频电路进行偏置电路设计。偏置电路的设计原则是外加电路产生的低频率（MHz以下）的脉冲控制电流或直流信号能够顺利传导至PIN管，而外加电路对射频电路又几乎不产生影响。在微波频段，偏置电路可通过射频扼流圈（手绕电感）实现，但当工作频率升高至毫米波频段时，因毫米波波长更短，手绕电感的分布参数会对射频电路造成影响，因此，偏置电路的实现需要重新设计。

本实用新型在单路射频电路输出端隔直电容前连接驱动偏置电路，在射频电路公共端隔直电容后连接对地偏置电路，偏置电路采用λ/4高阻线（图3和图4中a点到b点之间的线为λ/4高阻线）、与高阻线连接的扇形电路（扇形电路采用90度扇形结构，扇形半径也为λ/4长度，扇形电路连接于高阻线的b点）以及通过金丝键合至馈电绝缘子（或地）的另一段高阻线（为b点以上的线，驱动电流先进入该段高阻线）组成，在图3和图4中，λ/4高阻线和另一段高阻线实际为一整根高阻线，在图3和图4中已标出高阻线位置，经过ADS仿真优化参数，偏置电路如图3、图4所示。该偏置电路利用λ/4传输线特性：当终端开路时，在始端看短路；当终端短路时，在始端看则为开路。因此，图中b点接开路的扇形λ/4传输线，在b点即为短路，可等效为a点经过λ/4传输线接短路负载，因此，高阻从50Ω传输线a点向高阻线看去，在λ对应中心频率时，近似开路，所以对射频通路Ka频段信号的传导几乎无影响，保证了器件低损耗、低驻波、高隔离的指标特性。经过仿真，选取合适的频率值对应的λ/4长度，可使30~40GHz内均可获得较高的性能指标，满足使用要求；而对外加电路的驱动电流信号（通过驱动偏置电路实现驱动电流的接入，通过对地偏置建立驱动电流回路），因频率很低甚至是直流，该偏置电路近似一根导线，仅存在很低的电阻值，可几乎无损的传导至PIN管，实现对PIN管的驱动。在偏置电路末端还另加入了一只100pF的对地电容，该电容可将驱动电流进行电源滤波，可以有效的将驱动电路产生的一些无用的高频杂散分量滤除，防止其对信号质量产生影响。本实用新型中，当驱动电流为“-”时，开关导通；当驱动电流为“+”时，开关截止。

射频电路及偏置电路微带电路片如图5所示。图3和图4的偏置电路通过50Ω传输线与射频电路连接。

3)结构壳体及驱动电路设计

结构壳体设计方面：外形采用矩形设计，并且输入、输出在同一轴向上，便于减小安装尺寸，有利于整体设备的小型化；壳体采用双面铣腔的方式，正面腔体安装射频电路及偏置电路，背面腔体安装电源驱动电路：正面腔体采用窄腔设计，在安装的射频电路及偏置电路电路片、组装工艺许可的情况下，尽量减小铣腔的宽度；而在正反面腔体互连方面，摒弃过线孔的连接方式，采用馈电绝缘子在正反面腔体之间进行驱动电流的传输；这两项设计均为防止毫米波信号在腔中的串扰，提高不同端口的隔离度并改善端口驻波；壳体正面铣腔设计如图6所示。

驱动电路主要实现将TTL控制信号转换为驱动PIN管需要的驱动电流：驱动电路主要由单片双路驱动器及限流电路、电源滤波电路组成，单片双路驱动器实现将两路输入的TTL逻辑电平转换为驱动PIN管截至、导通的正、负电流输出至驱动偏置电路，且两路输入输出均相互独立；限流电路用来限制输出电流大小，防止电流过大烧毁PIN管；电源滤波电路实现对驱动电路供电电源的滤波，改善因电源纹波、电源过冲等引起的器件指标恶化情况。驱动电路为现有技术。

整件完成后实测指标：在30~40GHz的工作频率范围内，插损优于-5.0dB，隔离度≥50dBc，驻波≤2.0（导通状态），≤1.8（截止状态下输出端口），切换速度：≤250ns。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.Ka波段单刀双掷PIN开关，包括射频电路、偏置电路，其特征在于，射频电路为阵列式开关电路，单路射频电路包括若干梁氏引线PIN管串联形成的多PIN管开关电路结构，并且单路射频电路输出端连接有吸收电路；单路射频电路在输出端隔直电容前连接驱动偏置电路；射频电路公共端在隔直电容后连接对地偏置电路，驱动偏置电路和对地偏置电路均由λ/4高阻线、与高阻线连接的扇形电路以及通过金丝键合至馈电绝缘子或地的另一段高阻线组成，λ为中心频率在微带线上的相波长；扇形电路采用90度扇形结构，扇形半径也为λ/4长度。

2.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，还包括驱动电路，所述的驱动电路用于给射频电路、偏置电路提供驱动电流。

3.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，还包括结构壳体，结构壳体采用双面铣腔的方式，正面腔体安装射频电路及偏置电路，背面腔体安装电源驱动电路：正面腔体采用窄腔设计；采用馈电绝缘子在正、反面腔体之间进行驱动电流的传输。

4.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，单路射频电路为由4级串联的梁氏引线PIN管形成的多PIN管阵列式开关结构以及位于多PIN管开关电路结构输出端的吸收电路组成。

5.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，所述的吸收电路包括串联设置的一个梁氏引线PIN管和一个50Ω电阻，该梁氏引线PIN管与多PIN管开关电路结构并联连接，该梁氏引线PIN管在其所在通路导通时处于截止状态，在其所在通路截止时处于导通状态。

6.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，对射频通路传导的Ka频段信号，偏置电路呈现高阻抗，对Ka频段信号近乎断路；偏置电路将驱动电路提供的驱动电流几乎无损的传导至射频电路上的PIN管。

7.根据权利要求1所述的Ka波段单刀双掷PIN开关，其特征在于，相邻梁式引线二极管在微带线上的间距为λ/4，λ为中心频率在微带线上的相波长。