X波段2×3平面開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)

摘要 提出一種設(shè)計(jì)平面開關(guān)矩陣的方法。通過使用單刀單擲(SPST)芯片開關(guān)、芯片功分器和0 dB定向耦合器等簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)矩陣的平面拓?fù)?。由于射頻電路使用鍵合工藝將芯片、微帶無源電路進(jìn)行連接，因此與傳統(tǒng)開關(guān)矩陣相比，具有體積小、重量輕、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。最后通過對(duì)一個(gè)X波段2×3平面開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)和測(cè)試，證明了該設(shè)計(jì)的有效性。
關(guān)鍵詞 開關(guān)矩陣；微帶電路；定向耦合器

    微波開關(guān)矩陣由于可以提供多路微波信號(hào)的選通，在多波束一時(shí)分多址通信系統(tǒng)以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)上行和下行等多通道微波信號(hào)之間的互聯(lián)，因此在微波系統(tǒng)中具有重要的作用。傳統(tǒng)的微波開關(guān)矩陣中多使用多層板電路實(shí)現(xiàn)傳輸線之間的交叉互聯(lián)，由于工藝限制，使得設(shè)計(jì)復(fù)雜且成品率低。開關(guān)矩陣MMIC芯片可以實(shí)現(xiàn)小型化和高可靠性的開關(guān)矩陣，但是相關(guān)的開關(guān)矩陣產(chǎn)品例如Hittite的產(chǎn)品限制在10 GHz以下，國(guó)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(guān)矩陣帶來較大難度。在文獻(xiàn)中提出了兩種實(shí)現(xiàn)DPDT的方法，但back to back結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)單路導(dǎo)通，不可以兩路同時(shí)工作，ring type結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩路同時(shí)導(dǎo)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(xiàn)中的結(jié)構(gòu)在多通路開關(guān)矩陣中將不可用。
    本文立足于當(dāng)前國(guó)內(nèi)的成熟工藝條件，提出了一種設(shè)計(jì)平面開關(guān)矩陣的方法。通過使用定向耦合器實(shí)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(guān)MMIC芯片和鍵合工藝實(shí)現(xiàn)開關(guān)矩陣的小型化和高可靠性。

1 設(shè)計(jì)方法理論分析
    雙刀雙擲開關(guān)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(guān)，實(shí)現(xiàn)端口之間的選通。該原理圖中包括一個(gè)交叉點(diǎn)，通過該交叉點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通路1→4和通路2→3。

    使用支線耦合器可以實(shí)現(xiàn)交叉點(diǎn)的互聯(lián)。

    圖2中各分支線長(zhǎng)度為λg／4，旁邊標(biāo)注為該分支線的歸一化導(dǎo)納。按照文獻(xiàn)有
   
    其中分支線長(zhǎng)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。

    所以將雙刀雙擲開關(guān)的交叉點(diǎn)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(duì)于其他多刀多擲開關(guān)矩陣中的交叉點(diǎn)同樣可以使用0 dB分支線耦合器，從而實(shí)現(xiàn)單平面電路。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例
    設(shè)計(jì)工作于12±0．1 GHz的開關(guān)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。

    說明：0、1表示TTL控制電平
    (1)方案設(shè)計(jì)。端口1首先經(jīng)過功分器分為兩路，其中一路繼續(xù)進(jìn)行功分后驅(qū)動(dòng)端口3，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅(qū)動(dòng)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(jìn)行功分，分出后驅(qū)動(dòng)端口5，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅(qū)動(dòng)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(jìn)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。

    (2)耦合器仿真。按照式(1)和式(2)，當(dāng)耦合度C=0 dB時(shí)，計(jì)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(jì)算工具Linecalc計(jì)算得到1／4波長(zhǎng)50 Ω微帶線寬度為0．78 mm，長(zhǎng)度為4．54 mm。在ADS中建立模型優(yōu)化得到版圖和仿真結(jié)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。

    (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(guān)芯片、單刀單擲開關(guān)芯片、功分器芯片分別使用中國(guó)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(guān)是為了增加開關(guān)的隔離度。

    設(shè)計(jì)完成后的結(jié)構(gòu)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。

    (4)測(cè)試結(jié)果。實(shí)物如圖7所示，對(duì)盒蓋進(jìn)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(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了利用耦合器進(jìn)行射頻支路交叉的方法，可以使微波開關(guān)矩陣等復(fù)雜形式電路在同一平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)給出了利用該方法設(shè)計(jì)的X波段2×3開關(guān)矩陣，實(shí)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，證明該方案有效可行。使用耦合器進(jìn)行射頻交叉可以有效簡(jiǎn)化電路形式，提高微波組件的可靠性，對(duì)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(jìn)一步研究以提高耦合器的隔離度。