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)計了合適的開關(guān)驅(qū)動電路，最終設(shè)計出一種高隔離度，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)計與實現(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，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)成熟的計算方法。本文給出一種常用的計算公式。