X波段2×3平面開關矩陣設計

宣 斌，郭文椹

(中國電子科技集團公司第13研究所第5專業(yè)部，河北石家莊 050051)

微波開關矩陣由于可以提供多路微波信號的選通，在多波束-時分多址通信系統(tǒng)以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)中可以實現(xiàn)上行和下行等多通道微波信號之間的互聯(lián)，因此在微波系統(tǒng)中具有重要的作用［1-2］。傳統(tǒng)的微波開關矩陣中多使用多層板電路實現(xiàn)傳輸線之間的交叉互聯(lián)，由于工藝限制，使得設計復雜且成品率低。開關矩陣MMIC芯片可以實現(xiàn)小型化和高可靠性的開關矩陣［3-4］，但是相關的開關矩陣產(chǎn)品例如Hittite的產(chǎn)品限制在10 GHz以下，國內(nèi)的射頻芯片生產(chǎn)單位目前沒有可用的產(chǎn)品，因此給生產(chǎn)制作開關矩陣帶來較大難度。在文獻［5］中提出了兩種實現(xiàn)DPDT的方法，但back to back結構只能實現(xiàn)單路導通，不可以兩路同時工作，ring type結構可以實現(xiàn)兩路同時導通，但輸入輸出端不能出現(xiàn)在同一水平面上，不方便在系統(tǒng)中使用;該文獻中的結構在多通路開關矩陣中將不可用。

本文立足于當前國內(nèi)的成熟工藝條件，提出了一種設計平面開關矩陣的方法。通過使用定向耦合器實現(xiàn)傳輸線之間的交叉互聯(lián)，使用PIN單刀單擲和單刀多擲開關MMIC芯片和鍵合工藝實現(xiàn)開關矩陣的小型化和高可靠性。

1 設計方法理論分析

雙刀雙擲開關矩陣RF原理如圖1所示，圖中的1-4端口均端接單刀雙擲開關，實現(xiàn)端口之間的選通。該原理圖中包括一個交叉點，通過該交叉點實現(xiàn)通路1→4和通路2→3。

圖1 雙刀雙擲開關矩陣RF原理圖

使用支線耦合器可以實現(xiàn)交叉點的互聯(lián)。

圖2中各分支線長度為λg/4，旁邊標注為該分支線的歸一化導納。按照文獻［6］有其中分支線長度主要決定了耦合器的中心頻率，H的選擇可以決定帶寬和耦合平衡比。

圖2 耦合器原理圖

所以將雙刀雙擲開關的交叉點使用0 dB分支線耦合器代替后的電路原理圖如圖3所示。對于其他多刀多擲開關矩陣中的交叉點同樣可以使用0 dB分支線耦合器，從而實現(xiàn)單平面電路

圖3 利用耦合器實現(xiàn)交叉點原理圖

2 設計實例

設計工作于12±0.1 GHz的開關矩陣，輸入功率為10 dBm，輸出功率≥13 dBm。邏輯控制要求如表1所示。

表1 2×3開關矩陣邏輯控制

(1)方案設計。端口1首先經(jīng)過功分器分為兩路，其中一路繼續(xù)進行功分后驅(qū)動端口3，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅(qū)動端口4和5;端口2首先經(jīng)過功分器分為兩路，其中一路繼續(xù)進行功分，分出后驅(qū)動端口5，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅(qū)動端口3和4。經(jīng)過功分器和耦合器之后的支路通過SPST和SPDT進行邏輯控制，然后使用放大器放大到需要的電平從端口3、4、5 輸出，原理如圖4 所示。

圖4 2×3開關矩陣原理圖

(2)耦合器仿真。按照式(1)和式(2)，當耦合度C=0 dB時，計算得到 G1=1，取 H=G2=1。選用Rogers5880的介質(zhì)板，厚度為0.254 mm，介電常數(shù)為2.2。利用ADS自帶的微帶計算工具Linecalc計算得到1/4波長50 Ω微帶線寬度為0.78 mm，長度為4.54 mm。在ADS中建立模型優(yōu)化得到版圖和仿真結果如圖5所示。從仿真曲線可以看出，在理想情況下插入損耗為0.016 dB，端口駐波系數(shù)在20 dB以下，可以滿足使用要求。

圖5 耦合器版圖和仿真曲線

(3)其他問題。為減小組件體積，其余電子元器件均選用GaAs的MMIC芯片。其中單刀雙擲開關芯片、單刀單擲開關芯片、功分器芯片分別使用中國電科13所生產(chǎn)的 NC1667C-618、NC1669C-218和BW494，放大器芯片使用Hittite公司生產(chǎn)的HMC564。使用單刀單擲開關是為了增加開關的隔離度。

設計完成后的結構外形圖如圖6所示，組件外形為40 mm×60 mm×15 mm，射頻端口為2.92 mm的K型陰頭，邏輯控制、供電、接地端口為玻璃絕緣子。

圖6 2×3開關矩陣外形圖

(4)測試結果。實物如圖7所示，對盒蓋進行激光封蓋。經(jīng)過調(diào)試后，射頻端口駐波均在1.2以下，輸出功率13.5±0.2 dBm，滿足設計指標。

圖7 2×3開關矩陣實物照片

3 結束語

本文提出了利用耦合器進行射頻支路交叉的方法，可以使微波開關矩陣等復雜形式電路在同一平面內(nèi)實現(xiàn)。同時給出了利用該方法設計的X波段2×3開關矩陣，實測結果滿足設計要求，證明該方案有效可行。使用耦合器進行射頻交叉可以有效簡化電路形式，提高微波組件的可靠性，對微波組件研制生產(chǎn)具有重要意義。但該中方法中端口之間的隔離度主要取決于耦合器的端口隔離度，所以需要進一步研究以提高耦合器的隔離度。

［1］GUPTA R K，GERSON H I.Design and packaging approach for MMIC insertion in a broadband 4×4 microwave switch matrix，GaAs IC Symposium ［J］.IEEE Trancesaction on Communication，1988(2):261-264.

［2］ROBERTO J A，ROBERT B.Advanced communications technology satellite(ACTS):four-year system performance［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17(2):191-193.

［3］NOH Y S，JU I K，YOM I B.High speed 4 × 4 microwave switch matrix using MMIC SPST switch for satellite applications［C］.APMC2005 Proceedings，2005.

［4］CHANG D P，NOH Y S，YOM I B.Design of high performance HEMT switch for S-band MSM of satellie transponder［J］.IEEE，2008，17(2):2888-2891.

［5］YANG Ziqiang，YANG Tao，You Yu，et al.A 2 GHz high isolation DPDT switch MMIC［C］.APMC2005 Proceedings，2005.

［6］清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1976.