一種基于MMIC技術(shù)的S波段GaAs單刀單擲開關(guān)

摘要：射頻開關(guān)作為一個系統(tǒng)的重要組成部分其性能直接影響整個系統(tǒng)的指標(biāo)和功能。其中插入損耗和隔離度以及開關(guān)速度是射頻開關(guān)最重要的幾個指標(biāo)。在實(shí)際測試中，S波段脈沖信號源需要產(chǎn)生快前沿的窄脈沖信號。在此基于上述需求，利用了射頻開關(guān)模塊設(shè)計(jì)的基本原理，并結(jié)合了PCB上微帶線的特性阻抗分析，且設(shè)計(jì)了合適的開關(guān)驅(qū)動電路，最終設(shè)計(jì)出一種高隔離度，低插入損耗，高速射頻開關(guān)，開關(guān)控制電壓為(0，-5V)。在頻率2～4 GHz的條件下，插入損耗小于1．7dB，隔離度大于48dB，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：單刀單擲；射頻開關(guān)；特性阻抗；S波段

0 引言
    射頻開關(guān)是用于控制射頻信號傳輸路徑的控制器件之一，是微波通信等電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵部件，很多電子產(chǎn)品的關(guān)鍵性能都依賴于開關(guān)的性能，并直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在衛(wèi)星通信、相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)、自動測試設(shè)備等許多領(lǐng)域中有廣泛用途。射頻微波開關(guān)最突出的特點(diǎn)就是做高頻信號的傳輸路徑切換，以滿足測試系統(tǒng)的信號傳輸要求。
    隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，移動通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)對收發(fā)切換開關(guān)的開關(guān)速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求，而小體積和低成本則推動著消費(fèi)市場。要滿足上述要求，正是要采用基于砷化鎵的微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)，目前制造的MMIC工作在0．5～30 GHz的微波頻段，隨著更高頻率晶體管的成熟，在毫米波段(30～300 GHz)的應(yīng)用將越來越多。本文首先簡介開關(guān)設(shè)計(jì)的主要因素，然后介紹工作在2～4 GHz用于脈沖信號源的開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。開關(guān)元件采用的是GaAs MESFET，傳輸線采用的是微帶線。

1 開關(guān)的主要性能指標(biāo)
    開關(guān)的設(shè)計(jì)需要考慮諸多的因素。主要考慮如下一些因素：
    (1)帶寬。信號進(jìn)行開關(guān)、傳輸或者放大處理的一個有限的頻率范圍被稱作帶寬。對于給定的負(fù)載條件，帶寬范圍用-3 dB(半功率)點(diǎn)定義。
    (2)插入損耗和隔離度。理想開關(guān)，在斷開時衰減無限大，導(dǎo)通時衰減為零。由于在低阻狀態(tài)下開關(guān)器件為一個有限非零阻抗，在高阻狀態(tài)并非無限阻抗，因此開關(guān)電路不是理想電路。插入損耗定義為理想開關(guān)與實(shí)際開關(guān)在“通”狀態(tài)傳遞給負(fù)載的功率之比值。而隔離度定義為理想開關(guān)在“通”態(tài)與實(shí)際開關(guān)“斷”態(tài)時傳遞給負(fù)載功率之比值。插入損耗和隔離度是衡量開關(guān)質(zhì)量優(yōu)劣的基本指標(biāo)。目標(biāo)是設(shè)計(jì)低插入損耗和高隔離的開關(guān)。
    (3)電壓駐波比(VSWR)。VSWR是對信號在傳送線路上反射的測量，定義為信號路徑上駐波的最高電壓幅度與最低電壓幅值之比。
    (4)阻抗匹配。假設(shè)開關(guān)置于測量儀器和DUT之間，對于幾個系統(tǒng)中的所有的阻抗必須匹配。對于最佳的信號傳輸，源的輸出阻抗應(yīng)等于開關(guān)的特征阻抗、線纜阻抗和DUT的阻抗。在RF測試中，普遍的阻抗級是50Ω或75Ω。不論要求什么樣的阻抗級，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ鋵ＷC整個系統(tǒng)完整性。
    (5)功率傳輸。另一個重要的考慮是系統(tǒng)從儀器至DUT(待測設(shè)備)傳送RF功率的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。一些應(yīng)用場合，又可能需要減少信號至DUT上的功率。使用放大器或衰減器可保證將精確的信號功率值傳送至開關(guān)系統(tǒng)。
    (6)驅(qū)動器的要求。PIN管開關(guān)和FET開關(guān)的驅(qū)動電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓。驅(qū)動器好壞是影響開關(guān)速度的主要因素之一。
    (7)開關(guān)速度。指開關(guān)從“斷”到“通”(或相反)改變狀態(tài)需要時間，在快速器件中是一個很重要的指標(biāo)，開關(guān)速度提高到ns量級。
    (8)功耗、使用壽命及開關(guān)尺寸等。在電源比較寶貴的場合，如移動通信中，對部件要求是低功耗。MEMS開關(guān)壽命較短，在設(shè)計(jì)中需要考慮開關(guān)的使用壽命，是以開關(guān)的動作次數(shù)來衡量的。另外，由于安裝等原因，需要考慮開關(guān)的尺寸問題。此外，還有價格等因素。

2 砷化鎵開關(guān)
    砷化鎵開關(guān)，作為開關(guān)的本質(zhì)等效為電壓控制的可變電阻，溝道的夾斷或者導(dǎo)通決定著信號的通斷。由于其屬于耗盡型FET，所以需要使用負(fù)壓驅(qū)動?xùn)艠O，當(dāng)柵源負(fù)偏置在數(shù)值上大于夾斷電壓時，漏源之間電阻很大，可視為一個高阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)零偏置柵電壓加載到柵極時，則產(chǎn)生一個低阻抗?fàn)顟B(tài)。
    砷化鎵開關(guān)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如低功耗，高開關(guān)速度，寬頻帶，還具有優(yōu)良的IP3、隔離度特性，使其大量運(yùn)用在需要高隔離、低插損、線性度要求較高的射頻電路中。采用GaAs MESFET的射頻開關(guān)作為固態(tài)T／R模塊，在X波段到Ka波段的相控陣?yán)走_(dá)有很重要的應(yīng)用。
    本文中涉及的開關(guān)，為了提高在高頻率上的隔離性能，在串聯(lián)的FET后使用一個并聯(lián)的FET。這個位置上的FET必須是“通”以提高隔離性能，且進(jìn)入插入損耗狀態(tài)時為“斷”，這就要求開關(guān)有2種不同的控制電壓，分別為“-5V”和“0”。

3 PCB板上信號線的特性阻抗
    首先先介紹微帶線的相關(guān)理論知識。微帶線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的組成可分為2部分：一為寬度為W，厚度為T的導(dǎo)體帶；二為接地板。它們均由導(dǎo)電良好的金屬材料(如金、銀、銅)構(gòu)成，導(dǎo)體帶與接地板之間填充以介質(zhì)基片，導(dǎo)體帶與接地板的間距為H。介質(zhì)基片應(yīng)采用損耗小，黏附性、均勻性和熱傳導(dǎo)性較好的材料，并要求其介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化也較小。

    微帶線中傳輸?shù)哪Ｊ绞怯蒚E模和TM模組成的混合模式，是具有色散性質(zhì)的模式并且模式特性和TEM模相差很小，即為準(zhǔn)FEM模。對于微帶線的特性阻抗，已經(jīng)有很多相當(dāng)成熟的計(jì)算方法。本文給出一種常用的計(jì)算公式。
    其中&epsilon;r是PCB板材質(zhì)的介電常數(shù)。此公式必須在0．1<(W／H)<2．0及1<(εr)<15的情況才能應(yīng)用。在本文PCB板的設(shè)計(jì)過程中，導(dǎo)體與接地板的間距H為0．508 mm，板材介電常數(shù)&epsilon;r為3．38。T和H相比可以忽略，當(dāng)W=1．1 mm時，求得Z=49．251，很好地達(dá)到了匹配要求。在實(shí)際電路板中，由于多方面因素的影響，射頻信號傳輸線的實(shí)際特性阻抗與計(jì)算值有所偏差，應(yīng)加以適當(dāng)?shù)男拚?br />
4 具體制作工藝
4．1 印制基板的選擇
    印制電路基板是電子元器件導(dǎo)電圖形連接的結(jié)構(gòu)件，對電路設(shè)計(jì)的電性能，熱性能，機(jī)械強(qiáng)度和可靠性起著重要的作用。根據(jù)以上特點(diǎn)，綜合考慮我們選用了板厚為0．508 mm，敷銅箔厚為17／μm，介電常數(shù)為3．38的羅杰斯RO4003C板材，其性能滿足作為表面安裝要求，并用導(dǎo)電膠將微帶電路板和腔體粘接在一起，并使背面良好的接地。
4．2 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)
    本文涉及的開關(guān)屬于串聯(lián)／并聯(lián)FET的SPST形式，故開關(guān)通斷的控制腳有2個(A、B)，控制高電平為-5 V，低電平為0。當(dāng)A輸入高電平而B輸入低電平時，開關(guān)處于“ON”狀態(tài)，反之則處于“OFF”狀態(tài)。其對應(yīng)的驅(qū)動電路如圖2所示。

    其中負(fù)的邏輯電平由+5 V電平通過轉(zhuǎn)換芯片MAX660來實(shí)現(xiàn)，采用負(fù)壓驅(qū)動的理由是相比較于正壓控制的砷化鎵開關(guān)，開關(guān)的響應(yīng)速度大大提高。TTL器件采用74HCT04，信號控制端接入一個穩(wěn)定電壓為5．1 V的穩(wěn)壓管。該驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)了兩控制引腳輸入電平的反相。
4．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一個難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但影響整機(jī)的成本和可靠性，對整機(jī)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)也有很大的影響，采用SMA插座作為射頻信號端口，通過側(cè)面開槽微帶搭焊引出，供電則采用穿芯電容搭焊引出，開關(guān)的腔體和整機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)。
4．4 測試結(jié)果
    通過以上工藝制造的開關(guān)，通過整機(jī)實(shí)際測量，頻率2～4 GHz時隔離度達(dá)到48dB插入損耗不大于1．7dB。當(dāng)控制信號脈寬為50ns，輸入信號頻率為3．1GHz時，輸出波形如圖3所示。其上升沿為4ns，下降沿為2．4ns。

5 結(jié)語
    本文基于MMIC技術(shù)和微帶線特性阻抗理論設(shè)計(jì)出一種SPST射頻開關(guān)，該開關(guān)模塊在使用過程中，工作穩(wěn)定，性能良好，符合測試系統(tǒng)的要求，有極高的實(shí)用價值。