CN103873039A

CN103873039A - 一种吸收式单刀八掷开关

Info

Publication number: CN103873039A
Application number: CN201410076433.5A
Authority: CN
Inventors: 王玲; 肖飞; 唐小宏; 杨刘均; 吴涛; 刘勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明提供一种吸收式单刀八掷开关，以解决现有吸收式单刀八掷开关隔离状态下输出端反射系数大、导通状态下损耗较大的问题。该开关包括公共输入端与对称分布的八个支路，由金属底板、微带基片以及间隔设置的PIN梁式二极管、第一、第二、第三PIN二极管芯、吸收电阻、隔直电容构成，其中PIN梁式二极管串接公共输入端，隔直电容串接输出端，第三PIN二极管芯与吸收电阻串联后接地，再与第一PIN二极管芯、第二PIN二极管芯并接于PIN梁式二极管负极与隔直电容之间；金属底板在第三PIN二极管芯相应位置开设有凹槽，吸收电阻设置于凹槽内。该开关隔离状态下，具有输出端驻波系数小，带宽较宽的特点，且在导通状态下，还具有损耗小，输入、输出端驻波系数小的优点。

Description

一种吸收式单刀八掷开关

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种吸收式单刀八掷开关。

背景技术

单刀多掷开关有单片集成（MMIC）和混合集成两种工艺制作方式。单片集成的芯片开关电路具有导通状态损耗小、带宽宽的优点，但隔离度小、功率容量小；混合集成的开关电路具有隔离度高、功率容量大的优点，但导通状态损耗较大，带宽有限的缺点。

在雷达及通信等系统中常需要隔离度高、功率容量较大的单刀多掷开关电路，且随着雷达、通信系统的发展，对系统的稳定性、可靠性要求越来越苛刻。在隔离状态下，输出端反射信号大，将严重影响系统性能，而吸收式开关在隔离状态下，具有输出端反射系数小的特点对系统设计师具有强烈地吸引力。

开关电路从原理上可分为反射式和吸收式两种结构。反射式开关具有导通状态损耗小的特点，带宽较宽，但隔离状态下，输出端具有反射系数大的缺点；而吸收式开关在隔离状态下输出端具有反射系数小的特点，但导通状态下，比反射式开关导通状态的损耗略大，且带宽也受限，尤其随着工作频率提高，单刀多掷开关掷数增多，其恶化程度更大。但吸收式开关在隔离状态下各支路输出端反射系数小，能有效保障微波系统稳定性，提高系统可靠性，在许多情况下是反射式开关无法替代。

吸收式单刀八掷开关电路原理如图1所示，输入端（公共端）J0对称的分成八支串-并支路，每支路均采用一只串联PIN梁式二极管D1及3只并联PIN二极管芯D2、D3、D4，即一串三并到地形式，吸收电阻R与并联PIN二极管芯D4串联后直接到地；输入端（公共端）并一只电感L1接地，与各支路馈电的低通滤波器(并联电容C2接地，串联电感L2)构成直流回路，C1为隔直电容。根据PIN二极管的工作机理，当某一支路偏置B在零偏或负偏时，该支路呈导通状态，此时D1等效于电阻，D2、D3、D4等效于电容，等效电路如图2所示，而其它7个支路偏置B均处于正偏下，各支路均呈隔离状态，即D1等效于电容，D2、D3、D4等效于电阻，等效电路如图3所示。吸收区的作用是吸收隔离支路的反射信号，从而保证开关在隔离状态下，各输出端口都具有良好的驻波特性,但吸收电阻对电路导通态的损耗将带来一定的恶化，特别微波频率的高端（2～20GHz），其损耗会恶化更大，尤其在吸收式单刀多掷开关电路中，掷数越多，频率越高，其损耗恶化就越大。

反射信号的大小通常用回波损耗L、反射系数Г或驻波系数ρ来表示，而它们之间的关系由下面两公式来换算：

回波损耗L与反射系数Г关系：L(dB)＝20lg|Γ|

反射系数Г与驻波系数ρ之间关系：其中ρ≥1，0≤|Γ|≤1。

传统吸收式单刀八掷开关结构示意图如图4所示，将吸收区的PIN二极管芯D4与吸收电阻R串联的子电路直接安装在微带电路的基片表面，再一起并联在二极管芯D3之后，电阻另一端通过基片上微带金属化孔接地。此结构工艺简单，安装方便，在隔离状态下的对反射信号部分吸收，但此结构仅适用于微波低频电路中，随着工作频率的提高，安装在微带基片表面的吸收电阻的几何尺寸及寄生参数带来的影响不可忽略，导致开关在导通状态下，损耗增大，且输入、输出端驻波系数也较大；隔离状态下，输出端匹配电路的带宽也减小。因此，对吸收式单刀八掷开关的设计优化成为我们的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸收式单刀八掷开关，以解决现有吸收式单刀八掷开关隔离状态下输出端反射系数较大、导通状态下损耗较大及输入、输出端驻波系数也较大的问题。该吸收式单刀八掷开关隔离状态下，具有输出端驻波系数小，带宽较宽的特点，且在导通状态下，还具有损耗小，输入、输出端驻波系数小的优点。

本发明的技术方案为：

一种吸收式单刀八掷开关，包括公共输入端与对称分布的八个支路，每个支路由金属底板、设置于金属底板上的微带基片以及间隔设置的PIN梁式二极管D1、第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3、第三PIN二极管芯D4、吸收电阻R、隔直电容C1构成，其中PIN梁式二极管D1设置于微带基片的微带线上串接公共输入端，隔直电容C1设置于微带线上串接输出端，第三PIN二极管芯D4串接吸收电阻后与第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3分别设置在金属底板上并接于PIN梁式二极管D1负极与隔直电容之间；其特征在于，所述金属底板在第三PIN二极管芯D4相应位置开设有凹槽，所述吸收电阻设置于凹槽内。

优选的，所述PIN梁式二极管D1的性能参数Cj=0.022pf，Rf=4.9Ω；所述第一PIN二极管D2、第二芯PIN二极管D3、第三PIN二极管D4的性能参数为Cj=0.05pf，Rf=2.5Ω；所述吸收电阻为两个100欧贴片电阻并联构成；所述凹槽为直径0.86mm，深1mm的圆形槽所述微带基片的介电常数2.22、厚度0.127mm。

本发明提供的吸收式单刀八掷开关不仅在隔离状态下，具有输出端驻波系数小，及相对带宽较宽的特点，且在导通状态下，也具有损耗小，输入、输出端驻波系数小的优点；此外，本开关结构简单、紧凑，制造成本低。同时，本发明提供的的嵌入吸收式结构不仅适用于工作频率2GHz以上的吸收式单刀单掷开关、吸收式单刀多掷开关，还适用工作频率2GHz以上的吸收式衰减器、吸收式调制器及吸收式限幅器等控制电路。

附图说明

图1为吸收式单刀八掷开关电路原理图。

图2为吸收式单刀八掷开关导通支路等效电路。

图3为吸收式单刀八掷开关隔离支路等效电路。

图4为传统吸收式单刀八掷开关支路结构示意图。

图5为本发明吸收式单刀八掷开关结构示意图。

图6为本发明吸收式单刀八掷开关各支路结构俯视示意图。

图7为本发明吸收式单刀八掷开关各支路结构剖视示意图。

图8为本发明具体实施方式中吸收式单刀八掷开关电路导通状态下S参数测试图。

图9为本发明具体实施方式中吸收式单刀八掷开关电路隔离状态下S参数测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及说明书附图对本发明做进一步解释。

一种吸收式单刀八掷开关，其结构如图5、6、7所示，包括公共输入端与对称分布的八个支路，整个开关由金属底板、设置于金属底板上的微带基片以及每个支路上间隔设置的PIN梁式二极管D1、第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3、第三PIN二极管芯D4、吸收电阻R、隔直电容C1构成。

其中PIN梁式二极管D1设置于微带基片的微带线上，与微带线连接导通，串接于公共输入端与各支路之间；隔直电容C1设置于微带线上，串接于输出端，第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3依次设置在金属底板上，微带基片预设相应开口，各管芯正极通过金带与微带线连接导通，使得第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3并接于PIN梁式二极管D1负极于隔直电容C1之间，第一PIN二极管芯D2、第二PIN二极管芯D3负极分别接地；第三PIN二极管芯D4与吸收电阻串联后接地，再并接于PIN梁式二极管D1负极于隔直电容C1之间，设置在金属底板上预设凹槽内。偏置电流B经低通滤波器(并联电容C2接地，串联电感L2)后馈入到第三PIN二极管芯D4的正极与隔直电容C1之间上，电感L1串接在公共端与地之间，为偏置电流提供直流回路。

本实施例中所述PIN梁式二极管D1的性能参数Cj=0.022pf，Rf=4.9Ω；

所述第一PIN二极管D2、第二芯PIN二极管D3、第三PIN二极管D4的性能参数为Cj=0.05pf，Rf=2.5Ω；

所述吸收电阻采用0402贴片电阻，为两个100欧贴片电阻并联构成；

所述微带基片采用罗杰斯公司的Duroid5880材料，其介电常数2.22、厚度0.127mm；

所述凹槽为直径0.86mm，深1mm的圆形槽。

对本实施例中吸收式单刀八掷开关进行测试，其测试曲线如图8、9所示，具体指标：在15～18GHz范围内，导通状态下，插损小于3.8dB，输出端回波损耗大于10dB；隔离状态下，隔离度大于65dB，输出端回波损耗大于15dB，输入端回波损耗大于12dB。

本发明提供的吸收式单刀八掷开关不仅在隔离状态下，具有输入、输出端驻波系数小，及相对带宽较宽的特点，且在导通状态下，也具有损耗小，输出端驻波系数小的优点；此外，本开关结构简单、紧凑，制造成本低。

Claims

1.一种吸收式单刀八掷开关，包括公共输入端与对称分布的八个支路，每个支路由金属底板、设置于金属底板上的微带基片以及间隔设置的PIN梁式二极管（D1）、第一PIN二极管芯（D2）、第二PIN二极管芯（D3）、第三PIN二极管芯（D4）、吸收电阻（R）、隔直电容（C1）构成，其中PIN梁式二极管（D1）设置于微带基片的微带线上,串接在公共输入端与各支路之间，隔直电容（C1）设置于微带线上串接输出端，第三PIN二极管芯（D4）串接吸收电阻后与第一PIN二极管芯（D2）、第二PIN二极管芯（D3）分别设置在金属底板上并接于PIN梁式二极管（D1）负极与隔直电容之间；其特征在于，所述金属底板在第三PIN二极管芯（D4）相应位置开设有凹槽，所述吸收电阻设置于凹槽内。

2.按权利要求1所述一种吸收式单刀八掷开关，其特征在于，所述PIN梁式二极管（D1）的性能参数为Cj=0.022pf，Rf=4.9Ω。

3.按权利要求1所述一种吸收式单刀八掷开关，其特征在于，所述第一PIN二极管（D2）、第二芯PIN二极管（D3）、第三PIN二极管（D4）的性能参数为Cj=0.05pf，Rf=2.5Ω。

4.按权利要求1所述一种吸收式单刀八掷开关，其特征在于，所述吸收电阻为两个100欧贴片电阻并联构成。

5.按权利要求1所述一种吸收式单刀八掷开关，其特征在于，所述凹槽为直径0.86mm，深1mm的圆形槽。

6.按权利要求1所述一种吸收式单刀八掷开关，其特征在于，所述微带基片的介电常数为2.22、厚度为0.127mm。