基于PIN管的寬帶高隔離度開關的設計與仿真

唐 正 呂曉蕊

(1.湖北交通職業(yè)技術學院 武漢 430079)(2.武漢鐵路職業(yè)技術學院 武漢 430205)

基于PIN管的寬帶高隔離度開關的設計與仿真

唐 正1呂曉蕊2

(1.湖北交通職業(yè)技術學院 武漢 430079)(2.武漢鐵路職業(yè)技術學院 武漢 430205)

在射頻電路中, PIN管廣泛地用作射頻開關。論文設計了一款新型的寬帶高隔離度收發(fā)開關電路,該單刀雙擲開關(SPDT)工作頻率為50MHz～2GHz,發(fā)射機到接收機端口隔離度在30dB以上。通過電路仿真對比,新型的SPDT開關的射頻性能得到明顯提高,能夠適應無線系統(tǒng)對SPDT開關的要求。

PIN管; SPDT; 射頻開關; ADS仿真

Class Number TN385

1 引言

PIN管作為射頻開關,越來越廣泛地應用在射頻電路中[1～2]。在時分復用的收發(fā)系統(tǒng)中,單刀雙擲開關(SPDT)可以將天線、發(fā)射鏈路以及接收鏈路按時序連接并保護起來。特別是雷達系統(tǒng),發(fā)射機功率越來越大,接收機靈敏度越來越低。為了追求高靈敏度方案,第一級低噪聲放大器噪聲系數(shù)越做越小。但是,低噪聲放大器的噪聲性能和最大輸入功率性能是一對相互矛盾的值,為了保護低噪聲放大器不被發(fā)射機的大功率損壞,系統(tǒng)對收發(fā)開關的隔離度要求越來越高[3]。

本文設計了一種新型的寬帶高隔離度收發(fā)開關電路,SPDT工作頻率范圍50MHz～2000MHz,發(fā)射機到接收機端口隔離度在30dB以上。

2 電路基本原理

圖1 PIN管正向偏置模型

圖2 PIN管反向偏置模型

PIN二級管對射頻信號的開關控制是通過改變PIN二級管偏置電壓來實現(xiàn)[4]。當PIN管正向偏置時,PIN管導通(模型如圖1),PIN管等效為電感L串聯(lián)電阻Rs的電路,Rs是導通電阻,阻抗在1Ω以下,L是PIN管管腳的等效電感,電感值在幾個nH以內(nèi)；當PIN管反向偏置時,PIN管截止(模型如圖2),此時PIN管等效為一組Rp和Ct并聯(lián)后再串聯(lián)電感L的電路,Rp是截止電阻,阻值趨近于無窮大,Ct是結電容,容值在幾個pF以內(nèi)[5]。正向?qū)〞r,Rs的值決定了PIN管的插損；反向截止時,Ct的值決定了PIN管的隔離度。

單刀單置射頻開關有三種形式,分別是：串聯(lián)型、并聯(lián)型[6]和串并型(如圖3)。三種形式的開關的性能指標見表1。由表1知,串并型的開關的隔離度是最大的。

圖3 單刀單置開關形式

類型隔離度(dB)插損(dB)串聯(lián)單刀單置開關10log101+Xc2Z()2[]20log101+Rs2Z[]并聯(lián)單刀單置開關20log101+Z2Rs[]10log101+Z2Xc()2[]串并型單刀單置開關10log101+z2Rs()2[+Xc2Z()21+ZRs()2]10log101+z2Rs()2[+Z+Rs2Xc()2]

在時分無線系統(tǒng)的應用中,天線要在發(fā)射機與接收機間切換,兩條鏈路按時序交替工作,可以通過單刀雙擲的射頻開關來實現(xiàn),典型的單刀雙擲開關電路[7]如圖4。

圖4 傳統(tǒng)單刀雙擲開關電路

圖4電路中,兩個PIN管同時偏置,在發(fā)射機工作時,D1和D2同時正向偏置,此時D1將發(fā)射機與天線口聯(lián)系起來,D2此時也導通,它將接收機鏈路短路,由于發(fā)射機和接收機在鏈路中是并聯(lián)形式,為了使發(fā)射鏈路交流阻抗不受D2短路影響,在天線與D2之間需串聯(lián)一條1/4λ傳輸線,傳輸線的作用是阻抗變化,將0Ω的射頻阻抗變化到無窮大[8],從節(jié)點J往接收鏈路方向看去,交流阻抗達到無窮大,直流阻抗不發(fā)生改變,信號從發(fā)射機流向天線,不會到達接收機。接收機工作時,D1和D2截止,天線口信號只能傳遞給接收鏈路。

3 一種寬帶高隔離度SPDT開關仿真設計

寬帶高隔離度SPDT開關的基本原理與傳統(tǒng)SPDT開關基本相同,為了得到更高的隔離度和更寬的帶寬,新的開關電路(如圖5)在電路節(jié)點J與1/4λ線間串聯(lián)一個PIN管D3,并去掉1/4λ線。新的電路可以改善傳統(tǒng)SPDT開關的一些不足：第一,串聯(lián)一級PIN管D3可以提升隔離度20dB；第二,在傳統(tǒng)的SPDT開關電路中,當偏離中心頻率較多時,D2的短路效應會逐步顯現(xiàn)出來,從而影響到發(fā)射機阻抗,增加D3,去掉1/4λ線后可以展寬開關電路的頻率響應范圍。

圖5 高隔離度改善型SPDT電路

現(xiàn)在將兩種SPDT電路的射頻性能進行比較,所選PIN管為SMP1322-079,其主要參數(shù)[9]為Rs為0.6Ω,Ls為0.7nH,Ct為1pF。SMP1322-079有ADS模型,分別對圖4和圖5中電路進行ADS仿真[10],其中S(2,1)是發(fā)射機到天線口的傳輸系數(shù),即插損；S(3,1)是發(fā)射鏈路到接收鏈路的傳輸函數(shù),即隔離度。仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)SPDT開關射頻性能

圖7 改善型SPDT開關射頻性能

從仿真結果可以看出,傳統(tǒng)的SPDT開關的工作帶寬窄,隔離度差,S(2,1)的3dB帶寬為1.34GHz,且?guī)?nèi)的隔離度不理想,隔離度隨頻率升高惡化明顯,高頻隔離度大于-12dB。改善型SPDT開關射頻性能明顯提高,在50MHz～2GHz頻帶內(nèi),發(fā)射機到天線端口的差損最大只有-0.012dB；全頻段的隔離度小于-30dB,當頻率低于1.2GHz時,隔離度小于-40dB。

4 結語

本文詳細分析了PIN二極管在射頻開關中的應用,并設計了一款基于SMP1322-079,工作頻率為50MHz～2GHz的寬帶高隔離度低損耗SPDT開關。通過電路仿真對比,新型的SPDT開關的射頻性能明顯得到提高,能夠適應無線系統(tǒng)對SPDT開關的要求。

[1] 顧穎言.PIN管控制電路功率容量的確定[J].現(xiàn)代雷達,2005,27(3):60-64.

[2] 章敏,蔡德林,任鳳.基于PIN管的開關限幅器仿真與設計[J].電子技術,2013,3:70-72.

[3] 許正彬,崔寅杰,錢澄.基于微帶線的W波段寬帶pin管開關[J].東南大學學報(自然科學版),2014,9:881-885.

[4] 蒙燕強.基于PIN管的微波寬帶開關陣研究[D].成都:電子科技大學,2009:4-8.

[5] David M. Pozar[D]. Microwave Engineering Third Edition,2006(3):442.

[6] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. RF Circuit Design: Theory and Applications[M]. New Jersey: Prentice Hall,2000.

[7] White J F. Microwave Semiconductor control circuit.1983:396.

[8] 嚴豐慶,錢澄.射頻開關及其在通信系統(tǒng)中的應用[J].電子器件,2005,28(1):97-100.

[9] SMP1322 Datesheet[EB/OL]. http//www.skyworksinc.com.

[10] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

Design and Simulation of Wide-band and High-isolation Switch Based on PIN Tube

TANG Zheng1LV Xiaorui2

(1. Hubei Communication Technical College, Wuhan 430079) (2. Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430205)

PIN diode is widely used as RF switch in RF circuit. This paper introduces the design of a new type of wide-band and high-isolation switch circuit, the frequency of this SPDT is 50MHz～2GHz, the isolation from transmitter to receiver is more than 30dB. By the comparison of simulation, the RF performance of the new type of SPDT switch is obviously improved, which can meet the requirements of the wireless system for SPDT switches.

PIN diode, SPDT, RF switch, ADS simulation

2016年7月12日,

2016年8月21日

唐正,男,碩士研究生,工程師,研究方向:射頻電路設計。呂曉蕊,女,碩士研究生,講師,研究方向:通信抗干擾技術。

TN385

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.039