引言

近年來隨著無線通信技術的發展，對射頻前端電路部分的要求越來越高。5GHz頻段的無線局域網技術研究也日益廣泛。為了使用一套天線進行收發，就需要采用單刀雙擲開關進行收發切換。目前通信中的控制元件主要是利用具有體積小、重量輕、控制功率小、控制速度快的微波半導體器件。例如PIN管、FET管、變容管和肖特基管等。PIN管的特性是可以以用低直流電平來控制高功率的射頻信號。

本文介紹了單刀雙擲開關的設計理論和方法，先對PIN管及用PIN管設計開關做了簡單的介紹，然后用軟件仿真了開關電路，對電路進行了優化。

PIN管工作原理

PIN二級管是一種PIN結器件，在P型和N型接觸區之間有一極小的摻雜I區，就得到了對某些器件應用來說十分需要的特性，在反偏時I區將導致極高的二極管擊穿電壓，而器件電容是通過增大P區和N區的距離來減小的，在正向偏置時，I區的電導率是由末端區注入電荷來控制的，這種二極管是一種低失真的偏流控制電阻器，且具有良好的線性性能，PIN管在射頻微波電路中廣泛應用，完成調幅、衰減、校準電平等功能，可制成極好的開關、衰減器。

PIN管在反偏下，對射頻微波有很高的阻抗，在通以適當的正向電流時，又顯示很低的阻抗，可作開關，在射頻微波開關或衰減器等應用場合，其電路參數要求器件具有較小的串阻和總電容的分布參數，同時還根據開關電路的具體需要，要求器件有很快的開關速度，在設計時必須有重點地根據使用要求，選擇器件結構及參數。

PIN開關的設計

PIN管正反偏下不同的阻抗特性，可用來控制電路的通斷，組成開關電路。按功能來分常用的開關電路有兩種，一是通斷開關，如單刀單擲開關，作用是控制傳輸系統中信號的通斷，另一種是換接開關，單刀雙擲或多擲開關其作用是控制信號通路。從本質上來說，都是開關，只是單路和多路的差別，或者也可以說是一種控制信號大小，一種控制路徑。

一個理想的開關，在斷開時衰減無限大，導通時衰減為零。由于PIN管的阻抗既不能減小到零，也不能增大至無限大，所以實際的開關在斷開時衰減不是無限大，導通時也不是零，一般只能要求兩者的比值應盡量大，開關的導通衰減稱插入損耗，斷開時的衰減稱為隔離，插損和隔離是衡量開關質量優劣的基本指標。

單刀雙擲開關的結構：

根據PIN管與傳輸線的不同連接方式，最簡單的開關可分為并聯型和串聯型兩種，對于并聯型開關，管子呈高阻抗時對傳輸功率影響甚微，插入衰減很小，相當于開關的導通狀態，管子呈低阻抗時，傳輸功率大部分被反射回去，插入衰減很大，相當于開關的斷開狀態。對于串聯型開關，情況恰好相反。串連結構的開關常用于在寬頻帶范圍內的插損小的場合，這種設計的電路實現比較簡單，不需要在印刷電路板上打孔。而并聯結構的開關常用于在寬頻帶范圍內的需要隔離大的場合，這種開關由于散熱好，所以功率容量也就大。由于并聯型開關中管子易于與波導傳輸線等連接，并有散熱條件好等優點，故在實際中并聯型開關應用較多。

在所用PIN管參數已知的情況下，可以從上式計算出開關的隔離度和插損。

電路參數的優化

1、微帶間隙的優化：安裝PIN管的微帶間隙寬度需要優化，若間隙過大，則PIN管引線過長，PIN正偏時的附加電感較大，使電路增大插損（串聯管）、降低隔離度（并聯管）；若間隙過小，間隙電容會增大，使插損（并聯管）增大、隔離度降低（串聯管）。所以，設計時要在這兩者中間取一個折中，使之滿足需要。

2、微帶線長度和寬度的優化，各段微帶線的長度和寬度對電路匹配有很大影響。

3、隔直電容的優化：為了使開關前后級電路直流靜態工作點不互相影響，在開關的微帶線上串聯隔直電容。串聯的電容小，可以增加開關的隔離度，但同時增加開關的插入損耗；相應的，串聯電容值過大，有利于提高曲線的平坦度，同時減小開關的插入損耗，但這樣會使開關的隔離度惡化。所以要選擇恰當的電容值。

單刀雙擲開關仿真和結果

設計中采用了Skyworks公司的低內部引線電感的SMP1320－007（SOT－23封裝），開關結構為并聯型開關，用軟件做了仿真。

圖4是低內部引線電感的SOT－23的電路模型：可以看到下面引線L2的電感只有0.4nH，一般的SC－79封裝的電感為0.7nH。

電路板選用的是0.78mm厚的標準FR4材料。

仿真結果可得到（@5-6GHz）：

隔離度（Min）：19.75dB

插入損耗（Max）：1.25dB

結論與分析：

從仿真結果來看與預期的結果還有些差距，匹配電路還需進一步優化設計。但與其它封裝的二極管制作的PIN開關相比性能還是有所提升的。在制作實際版圖中還需考慮過孔的寄生電感電容，電路性能會有所下降。