射频接收前端高功率收发开关的设计
摘 要
射频微波开关广泛应用于无线电系统，并在一些利用天线收发信号的领域得到应用。它们可称得上今日在使用的最广泛的射频器件之一。射频微波开关可以分为两类：机电开关和固态开关。自PIN管问世以来，机电开关在射频微波领域并未得到广泛的应用，它们正以微机电系统（MEMS）的形式在某些领域寻求新的应用。与机电开关相比，固态开关具有一定的优势：可行性更高，使用寿命长，转换时间快等。 微波源在食品工业，橡胶工业，陶瓷工业，雷达系统，微波生物领域有着广泛的应用。在雷达，通信和其他微波系统中，常常要求对信号的传输进行控制，因而出现了各种类型的微波控制电路，如微波开关，微波调制器，微波限幅器，电调衰减器和移相器作为微波控制电路的核心器件，近年来随着无线通信技术的发展，对射频前端电路部分的要求越来越高，为了使用一套天线进行收发，就需要采用单刀双掷开关进行收发切换。目前通信中的控制元件主要是具有体积小，重量轻，控制功率小，控制速度快的微波半导体器件。
本文则深入讨论了射频前端微波PIN管开关的一些基本知识，原理，设计和仿真优化。第一章，调研PIN二极管及微波开关应用领域和发展过程；第二章，研究PIN二极管的结构，原理特性及技术指标；第三章，研究收发开关电路的基本原理图，各种类型结构和指标数据；第四章，掌握ADS软件的使用以及利用ADS软件对微波开关进行模拟仿真并使用ADS对微波开关的参数进行仿真与优化。
关键词：微波开关，PIN二极管，微波控制电路。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 微波开关发展现状及趋势 3
1.3 本文研究内容和研究方法 8
第二章 PIN开关的一般理论 9
2.1 PLN管的基本理论 9
2.1.1 PlN管的工作原理及其等效电路 10
2.1.2 PIN管的参数 16
2.2 PIN开关的工作原理 18
2.2.1 单刀单掷(SPST)开关的工作原理分析 19
2.2.2单刀双掷(SPOT)开关的工作原理分析 23
2.2.3 开关的基本指标 26
2.2.4 多管级联网络分析 30
第三章 ADS仿真以及优化 35
3.1 ADS仿真软件简介 35
3.1.1 ADS的仿真设计方法 36
3.1.2 ADS的设计辅助功能 38
3.1.3 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接 39
3.2 PIN开关电路仿真 41
3.2.1 创建一个工程 41
3.2.2 仿真与仿真结果分析 47
3.2.3 优化仿真与结果分析 49
结论 55
致 谢 56
参考文献 57
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
射频微波开关广泛应用于无线电系统，并在一些利用天线收发信号的领域得到应用。它们可称得上今日在使用的最广泛的射频器件之一。射频微波开关可以分为两类：机电开关和固态开关。自PIN管问世以来，机电开关在射频微波领域并未得到广泛的应用，它们正以微机电系统（MEMS）的形式在某些领域寻求新的应用。与机电开关相比，固态开关具有一定的优势：可行性更高，使用寿命长，转换时间快等。 微波源在食品工业，橡胶工业，陶瓷工业，雷达系统，微波生物领域有着广泛的应用。在雷达，通信和其他微波系统中，常常要求对信号的传输进行控制，因而出现了各种类型的微波控制电路，如微波开关，微波调制器，微波限幅器，电调衰减器和移相器作为微波控制电路的核心器件，近年来随着无线通信技术的发展，对射频前端电路部分的要求越来越高，为了使用一套天线进行收发，就需要采用单刀双掷开关进行收发切换。目前通信中的控制元件主要是具有体积小，重量轻，控制功率小，控制速度快的微波半导体器件。
微波开关是微波控制电路中的基本部件，它在雷达、电子对抗、微波通信、卫星通信以及微波测量等方面有着广泛的应用。单刀双掷开关(SPDT)主要用来完成信号在不同信道间的转换，其常用的控制器件有PIN管和GaAs MESFET两种。本文则深入讨论了射频前端微波PIN管开关的一些基本知识，原理，设计和仿真优化。第一章，调研PIN二极管及微波开关应用领域和发展过程；第二章，研究PIN二极管的结构，原理特性及技术指标；第三章，研究收发开关电路的基本原理图，各种类型结构和指标数据；第四章，掌握ADS软件的使用以及利用ADS软件对微波开关进行模拟仿真并使用ADS对微波开关的参数进行仿真与优化。
在微波技术领域中，要对电路参量进行控制的场合很多，例如控制电路的通断、衰减量的大小、相移量的多少等等。微波开关是微波控制电路的重要组成部分，它在相控阵雷达、电子对抗、微波通信、卫星通信以及微波测量等方面有着广泛的应用。随着半导体技术的发展，各种新型微波开关的控制器件，如PIN二极管、砷化稼场效应三极管、变容管和肖特基势垒管等的出现，使微波控制电路的性能大为提高，同时由于把微波固体器件和微带电路相结合而构成微带固体控制电路，其结构紧凑，且由于工艺上的不断完善，由安装而引入的寄生参量，如引线电感、管壳电容等的影响都非常小，因而进一步改善了微波控制电路的电性育色。半导体开关与电子机械开关相比，具有开关速度快的特点;与铁氧体相比，具有频带宽、体积小、重量轻的优点。又由于PIN二极管开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大，而且具有比较理想的开关特性，所以仍是微波开关首选器件。近几十年来，P创二极管的品种、规格和封装形式很多，所以可以根据设计的需要来选择不同的管子来达到各种设计要求。随着现代战争中电子系统地位的与日俱升，现代雷达、现代通信、制导武器和电子对抗等系统对微波控制电路提出了愈来愈高的要求，所需要的信号频段在不断上升，占用的带宽也在不断扩大，因此研究低插损、高隔离度、宽频带、大功率、小型化的微波毫米波控制电路已至关重要。本课题基于电子侦察电子对抗等系统宽频带的需要，着重研究微带形式的宽带、高隔离度PIN并关，这样也利于器件的进一步小型化，具有一定的工程实际意义。
1.2 微波开关发展现状及趋势
微波控制电路最早是利用微波半导体二极管的阻抗随外加偏压变化的特性对电路中的参量进行控制。随着半导体器件的发展各种新的控制器件的出现，使微波控制电路的性能大为提高。由于半导体工艺的不断发展，MMIC技术的不断成熟，适用于不同频段指标要求的开关技术在国内外已经非常成熟。MEMS开关也相继出现，并随着工艺的不断成熟，在控制电路中将扮演着重要的角色。同时为了适应电子战的需要，往往需要更高的频率和更宽的带宽进行电子干扰与反干扰。故宽频带开始成为微波开关越来越重要的指标。随着毫米波技术的不断发展，毫米波器件口渐成熟。甚至很多毫米波部件都已经集成化。这样就对高频段的收发转换开关要求也越来越高，8mm波段的技术亦基本趋十成熟，目前正向3mm波段和更高的频段发展。高速度也是微波开关发展的重要趋势之一。对于实现信号收发转换，通信信道切换，以及雷达多波束扫描需要的高速度，则要求开关有更快的切换速度。随着诸如BiCMOS, GeSi, GaAs等半导体技术水平以及MIMIC的发展，GaAs MMIC开关以其体积小、重量轻、功耗小等优点在电子对抗、相控阵雷达、仪器仪表等电子系统中得到了广泛的应用它也是最早受到重视的MMIC研究项目。
参考文献
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