用于无线局域网中的单刀双掷开关

摘要：主要针对用PIN管设计单刀双掷开关进行研究。设计了一种可应用在5GHz无线局域网中的单刀双掷开关。使用一种低价的塑料封装的PIN二极管（SMP1320-007 PIN管）来进行设计，这种SOT－23封装的PIN管具有很低的引线电感。使用软件建立的开关模型进行仿真和优化。


关键词：无线局域网 PIN管 开关 单刀双掷


Abstract: Introduce the design of the SPDT switch using PIN diode. A new design for SPDT switch in the 5GHz WLAN is presented using low inductance SOT-23 package (SMP1320_007 diode). This switch can be used in WLAN. Simulated and optimized in EDA tools and then presented the result.


Key Words: WLAN 、PIN Diode 、 Switch 、 SPDT


引言：近年来随着无线通信技术的发展，对射频前端电路部分的要求越来越高。5GHz频段的无线局域网技术研究也日益广泛。为了使用一套天线进行收发，就需要采用单刀双掷开关进行收发切换。目前通信中的控制元件主要是利用具有体积小、重量轻、控制功率小、控制速度快的微波半导体器件。例如PIN管、FET管、变容管和肖特基管等。PIN管的特性是可以以用低直流电平来控制高功率的射频信号。


本文介绍了单刀双掷开关的设计理论和方法，先对PIN管及用PIN管设计开关做了简单的介绍，然后用软件仿真了开关电路，对电路进行了优化。


PIN管工作原理


PIN二级管是一种PIN结器件，在P型和N型接触区之间有一极小的掺杂I区，就得到了对某些器件应用来说十分需要的特性，在反偏时I区将导致极高的二极管击穿电压，而器件电容是通过增大P区和N区的距离来减小的，在正向偏置时，I区的电导率是由末端区注入电荷来控制的，这种二极管是一种低失真的偏流控制电阻器，且具有良好的线性性能，PIN管在射频微波电路中广泛应用，完成调幅、衰减、校准电平等功能，可制成极好的开关、衰减器。




PIN管在反偏下，对射频微波有很高的阻抗，在通以适当的正向电流时，又显示很低的阻抗，可作开关，在射频微波开关或衰减器等应用场合，其电路参数要求器件具有较小的串阻和总电容的分布参数，同时还根据开关电路的具体需要，要求器件有很快的开关速度，在设计时必须有重点地根据使用要求，选择器件结构及参数。


PIN开关的设计


PIN管正反偏下不同的阻抗特性，可用来控制电路的通断，组成开关电路。按功能来分常用的开关电路有两种，一是通断开关，如单刀单掷开关，作用是控制传输系统中信号的通断，另一种是换接开关，单刀双掷或多掷开关其作用是控制信号通路。从本质上来说，都是开关，只是单路和多路的差别，或者也可以说是一种控制信号大小，一种控制路径。

一个理想的开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零。由于PIN管的阻抗既不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离，插损和隔离是衡量开关质量优劣的基本指标。

单刀双掷开关的结构：


根据PIN管与传输线的不同连接方式，最简单的开关可分为并联型和串联型两种，对于并联型开关，管子呈高阻抗时对传输功率影响甚微，插入衰减很小，相当于开关的导通状态，管子呈低阻抗时，传输功率大部分被反射回去，插入衰减很大，相当于开关的断开状态。对于串联型开关，情况恰好相反。串连结构的开关常用于在宽频带范围内的插损小的场合，这种设计的电路实现比较简单，不需要在印刷电路板上打孔。而并联结构的开关常用于在宽频带范围内的需要隔离大的场合，这种开关由于散热好，所以功率容量也就大。由于并联型开关中管子易于与波导传输线等连接，并有散热条件好等优点，故在实际中并联型开关应用较多。

插损：


隔离度：

在所用PIN管参数已知的情况下，可以从上式计算出开关的隔离度和插损。


电路参数的优化


1、微带间隙的优化：安装PIN管的微带间隙宽度需要优化，若间隙过大，则PIN管引线过长，PIN正偏时的附加电感较大，使电路增大插损（串联管）、降低隔离度（并联管）；若间隙过小，间隙电容会增大，使插损（并联管）增大、隔离度降低（串联管）。所以，设计时要在这两者中间取一个折中，使之满足需要。


2、微带线长度和宽度的优化，各段微带线的长度和宽度对电路匹配有很大影响。


3、隔直电容的优化：为了使开关前后级电路直流静态工作点不互相影响，在开关的微带线上串联隔直电容。串联的电容小，可以增加开关的隔离度，但同时增加开关的插入损耗；相应的，串联电容值过大，有利于提高曲线的平坦度，同时减小开关的插入损耗，但这样会使开关的隔离度恶化。所以要选择恰当的电容值。


单刀双掷开关仿真和结果


设计中采用了Skyworks公司的低内部引线电感的SMP1320－007（SOT－23封装），开关结构为并联型开关，用软件做了仿真。


图4是低内部引线电感的SOT－23的电路模型：可以看到下面引线L2的电感只有0.4nH，一般的SC－79封装的电感为0.7nH。


电路板选用的是0.78mm厚的标准FR4材料。


仿真结果可得到（@5-6GHz）：

隔离度（Min）：19.75dB

插入损耗（Max）：1.25dB

从仿真结果来看与预期的结果还有些差距，匹配电路还需进一步优化设计。但与其它封装的二极管制作的PIN开关相比性能还是有所提升的。在制作实际版图中还需考虑过孔的寄生电感电容，电路性能会有所下降。


参考文献：


[1] Gerald Hiller, "Design with PIN Diodes," Applications Note, Alpha Industries Inc.


[2] White, Joseph F., "Semiconductor Control," Artech House,Inc.,Dedham, MA., 1977.


[3] G. Hiller and R. Caverly, "Establishing the Reverse Bias to a PIN Diode in a High Power Switch," IEEE MTT Transactions, Dec., 1990.


[4] Garver, Robert V., "Microwave Control Devices," Artech House, Inc., Dedham, MA., 1976.


[5] "A 5-6GHz Switch Using Low Cost Plastic Packaged PIN Diodes," Applications Note, Alpha Industries Inc.


[6] 王蕴仪等，《微波器件与电路》，江苏科学技术出版社，1981


[7] 周月臣，《微波电路》，北京邮电学院出版社，1992


[8] 刘呈斌、徐军、罗慎独，“高隔离微带PIN单刀单掷开关”，全国微波毫米波会议论文集，2003。


作者简介：严丰庆，男，东南大学电磁场与微波技术硕士研究生，主要研究方向为微波毫米波电路与应用系统、无线通信中的射频技术。E-mail：yanfq@hotmail.com.