X波段2×3平面開關矩陣設計

摘要 提出一種設計平面開關矩陣的方法。通過使用單刀單擲(SPST)芯片開關、芯片功分器和0 dB定向耦合器等簡單電路實現(xiàn)開關矩陣的平面拓撲。由于射頻電路使用鍵合工藝將芯片、微帶無源電路進行連接，因此與傳統(tǒng)開關矩陣相比，具有體積小、重量輕、工藝簡單、可靠性高的特點。最后通過對一個X波段2×3平面開關矩陣設計和測試，證明了該設計的有效性。
關鍵詞 開關矩陣；微帶電路；定向耦合器

微波開關矩陣由于可以提供多路微波信號的選通，在多波束一時分多址通信系統(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。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，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。

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。

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。

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。

說明：0、1表示TTL控制電平
(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)進行功分后驅動端口3，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅動端口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，分出后驅動端口5，另外一路經(jīng)過耦合器后功分驅動端口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。

(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。

(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。

(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。

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。