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超宽带多通道开关组件的设计方法研究

2020-11-20 278 上传者：管理员

摘要：介绍了一种超宽带多通道开关组件的设计方法。该组件在C/X/Ku波段范围内,可以完成5路信号的放大和高低增益通道选择,实现6路信号的同时输出。产品体积为66mm×48mm×10mm,工作频段可拓宽至2～18GHz。该设计方法为实现超宽带多通道开关组件的工程化应用提供了一种有效的解决方法。

关键词：
多通道
开关组件
电路
电路设计
超宽带
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1、引言

相控阵雷达具有多功能、多目标跟踪和多种工作方式等优点，这些优点的发挥在很大程度上依靠形成多波束的能力[1]。波束形成网络架起了收发天线和变频通道之间的一座桥梁，为波束合成及选择奠定了基础。多通道开关组件是实现这座桥梁的重要组成部分。

在无线电通信、电子侦察等系统中，多通道开关组件作为路由可以实现复杂通道网络之间信号的快速切换，在射频开关矩阵中发挥着重要的作用。

按照所使用的不同控制器件种类，开关组件可以划分为PIN二极管开关组件、GaAs开关组件等。PIN二极管开关组件具有插损小、功率容量较大等优点，但在电路设计中一般需要配备电流驱动器才能正常工作，电源控制设计较为复杂，不利于实现产品小型化；而GaAs开关组件可以选择自带驱动器的开关芯片，不仅降低了电源控制设计难度，而且节约了电流驱动器的空间，易于实现产品的小型化，因此在一定功率容量范围内受到越来越多的青睐和选择[2,3,4,5,6,7]。

本文设计了一款超宽带多通道开关组件，与传统的PIN开关组件相比，在实现多路通道选择的同时，各通道还具备高低两种增益工作模式，可以更加灵活地为上级系统链路中的损耗做一定的增益补偿，能够更好地适应通道网络不同合成方式对增益的不同选择需求。

2、电路设计

2.1 电路工作原理

开关组件电路流程如图1所示。信号从IN1/2/3/4/5端口输入，最终从OUT1/2/3/4/5/6端口输出。5路输入通道设有独立的控制信号（共计5bit），可以实现单个通道的独立工作或是多个通道的同时工作。

为了降低系统噪声系数、合理分配链路增益指标，该组件较传统的开关组件的不同之处在于，各通道具备一定的增益，而非纯损耗特性。为了适应开关矩阵的多种路径合成方式，该组件设计了高低增益可选的两种工作模式。其中IN1→OUT1/2/3/4/5/6通道可以实现信号的高增益放大，IN2/3/4/5→OUT1/2/3/4/5/6通道可以实现信号的低增益放大。

组件主要指标要求如下：工作频段为C/X/Ku波段；IN1→OUT1/2/3/4/5/6通道增益为4dB,IN2/3/4/5→OUT1/2/3/4/5/6通道增益为1dB；输入输出电压驻波比不大于2；承受功率不小于20dBm。

图1开关组件电路流程

2.2 组件设计思路

2.2.1 关键电路设计

鉴于该组件要求承受功率较低，组件内部采用自带驱动器的开关芯片，其耐受功率不小于30dBm，可以满足组件的使用需求。

开关组件工作原理如图2所示，IN1链路独立设计，IN2～IN5链路采用相同设计方案，OUT1～OUT6链路采用相同设计方案，链路中间采用合路器和功分器进行衔接，这样既能够简化电路，又能够实现高低两种增益的需求。

2.2.2 电路实现方案

在链路布局方面，组件通过5个控制信号实现通道的选择切换，每个通道经过合理安置放大器、功分器、衰减器、均衡器和温补等芯片，最终可以实现不同放大增益的选择性输出。其中IN2/3/4/54路通道走线布局一致，以保证链路幅度的一致性。

图2开关组件工作原理

在电源管理方面，组件内部设计了稳压电路和电源时序电路。前者可以有效避免外部供电电压不稳致使有源芯片发生损坏；后者可以确保组件正负电压的加电顺序，即在负电压正常工作的前提下，正电压才会启动工作，从而保证了双电源（Vd&Vg）供电放大器的稳定工作，进一步提高了产品的可靠性。

在结构设计方面，产品正面腔体通道之间采用隔腔方式，进一步提高通道之间的隔离度，产品背面主要用于馈电的印制板采用了粘接方式（而非传统的螺钉固定方式）固定于腔体中，在高度方向上进一步促进了产品的小型化。射频接口采用了SMP绝缘子的焊接方式、组件正面采用了激光封焊方式等，最终保证产品可以实现良好的气密性，进而确保芯片和电路与外界环境的良好隔离[8]，为组件的长期稳定工作奠定了基础。

3、测试结果及分析

按照第2节所述设计思路，设计出最终组件如图3所示，其尺寸为66mm×48mm×10mm。

图3开关组件外形

由于通道较多，这里仅展示其中一路高增益测试曲线和一路低增益测试曲线，如图4所示，组件在2～18GHz，高增益均值为4dB，低增益均值为1dB，输入输出电压驻波比小于2，工作带宽能充分满足对C/X/Ku波段的需求。当前组件带内波动小于4dB，通过测试曲线可知，2～6GHz带内波动较差，有待进一步改善。

本组件与其他产品性能指标对比如表1所示，传统开关组件具有插损特性（文献[2,5]、[6]、[9]、[10]），且常常由于未做均衡考虑，普遍低端频率对应的插损低、高端频率对应的插损高，需要在上级系统中再次做均衡补偿。该组件与其相比，各通道具有一定增益，可以为上级系统链路中的损耗做一定的增益补偿。

本组件与文献[11]中设计的开关组件相比，工作频段更宽，应用范围更广，高低增益两种工作模式可以实现更加灵活的增益补偿。

图4开关组件增益和电压驻波比测试曲线

表1本组件与其他产品性能指标对比

4、结论

本文介绍了一种超宽带多通道开关组件的设计方法和测试结果，该组件具备电源时序电路和稳压电路的功能，可靠性较高，通过合理布局，最终产品尺寸为66mm×48mm×10mm。测试结果表明，该组件可以完成2～18GHz信号的放大和高低增益通道的选择，高增益均值为4dB，低增益均值为1dB，输入输出驻波比小于2，为波束形成网络的灵活使用奠定了基础。但组件整体波动有待提高，后期将采用增益或插损波动更小的芯片，优化内部电路之间的级联匹配，从而进一步改善组件的整体波动。

参考文献：

[1]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:252.

[2]李倩.微波开关电路的设计与应用[D].南京:南京理工大学,2015.

[3]孟向俊,杨磊,黄贞松,等.L波段大功率开关的研制[J].电子与封装,2016,16(7):34-38.

[4]王璐,胡永军,马建军,等.一种高可靠大功率单刀三掷开关模块设计[J].电子与封装,2018,18(11):22-24,43.

[5]王立发,杨瑞霞,吴景峰,等.宽带pin二极管单刀双掷开关的设计与实现[J].半导体技术,2011,36(3):238-241.

[6]许向前,毛伟,张越成,等.超宽带开关矩阵的研制[J].半导体技术,2011,36(6):474-477.

[7]端木义清.宽带单刀多掷pin开关的设计[J].雷达与对抗,2005(4):54-56.

[8]朱开宏,陈洁民,吴彬,等.全密封微波组件壳体激光缝焊技术[J].电焊机,2016,46(5):59-62.

[9]杨刘君.Ku波段吸收式单刀八掷开关[D].成都:电子科技大学,2013.

[10]王兰兰,严阳阳,田野,等.基于LTCC技术的2~12GHz宽带开关矩阵单元[C]//中国电子学会.2019年全国微波毫米波会议论文集(上册),2019:411-413.

[11]李夏琴.一种高速切换的10×2射频开关矩阵的设计[J].电子设计工程,2018,26(10):68-73,78.