一种基于MMIC技术的S波段GaAs单刀单掷开关

摘要：射频开关作为一个系统的重要组成部分其性能直接影响整个系统的指标和功能。其中插入损耗和隔离度以及开关速度是射频开关最重要的几个指标。在实际测试中，S波段脉冲信号源需要产生快前沿的窄脉冲信号。在此基于上述需求，利用了射频开关模块设计的基本原理，并结合了PCB上微带线的特性阻抗分析，且设计了合适的开关驱动电路，最终设计出一种高隔离度，低插入损耗，高速射频开关，开关控制电压为(0，-5V)。在频率2～4 GHz的条件下，插入损耗小于1．7dB，隔离度大于48dB，结果满足设计要求。
关键词：单刀单掷；射频开关；特性阻抗；S波段

0 引言
    射频开关是用于控制射频信号传输路径的控制器件之一，是微波通信等电子系统实现高性能的关键部件，很多电子产品的关键性能都依赖于开关的性能，并直接影响系统的稳定性和可靠性。在卫星通信、相控阵雷达系统、电子战、自动测试设备等许多领域中有广泛用途。射频微波开关最突出的特点就是做高频信号的传输路径切换，以满足测试系统的信号传输要求。
    随着现代无线通信系统的发展，移动通信、雷达、卫星通信等通信系统对收发切换开关的开关速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求，而小体积和低成本则推动着消费市场。要满足上述要求，正是要采用基于砷化镓的微波单片集成电路(MMIC)技术，目前制造的MMIC工作在0．5～30 GHz的微波频段，随着更高频率晶体管的成熟，在毫米波段(30～300 GHz)的应用将越来越多。本文首先简介开关设计的主要因素，然后介绍工作在2～4 GHz用于脉冲信号源的开关的设计与实现。开关元件采用的是GaAs MESFET，传输线采用的是微带线。

1 开关的主要性能指标
    开关的设计需要考虑诸多的因素。主要考虑如下一些因素：
    (1)带宽。信号进行开关、传输或者放大处理的一个有限的频率范围被称作带宽。对于给定的负载条件，带宽范围用-3 dB(半功率)点定义。
    (2)插入损耗和隔离度。理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零。由于在低阻状态下开关器件为一个有限非零阻抗，在高阻状态并非无限阻抗，因此开关电路不是理想电路。插入损耗定义为理想开关与实际开关在“通”状态传递给负载的功率之比值。而隔离度定义为理想开关在“通”态与实际开关“断”态时传递给负载功率之比值。插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。
    (3)电压驻波比(VSWR)。VSWR是对信号在传送线路上反射的测量，定义为信号路径上驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比。
    (4)阻抗匹配。假设开关置于测量仪器和DUT之间，对于几个系统中的所有的阻抗必须匹配。对于最佳的信号传输，源的输出阻抗应等于开关的特征阻抗、线缆阻抗和DUT的阻抗。在RF测试中，普遍的阻抗级是50Ω或75Ω。不论要求什么样的阻抗级，适当的阻抗匹配将会保证整个系统完整性。
    (5)功率传输。另一个重要的考虑是系统从仪器至DUT(待测设备)传送RF功率的能力。由于插入损耗，信号可能需要放大。一些应用场合，又可能需要减少信号至DUT上的功率。使用放大器或衰减器可保证将精确的信号功率值传送至开关系统。
    (6)驱动器的要求。PIN管开关和FET开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压。驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。
    (7)开关速度。指开关从“断”到“通”(或相反)改变状态需要时间，在快速器件中是一个很重要的指标，开关速度提高到ns量级。
    (8)功耗、使用寿命及开关尺寸等。在电源比较宝贵的场合，如移动通信中，对部件要求是低功耗。MEMS开关寿命较短，在设计中需要考虑开关的使用寿命，是以开关的动作次数来衡量的。另外，由于安装等原因，需要考虑开关的尺寸问题。此外，还有价格等因素。

2 砷化镓开关
    砷化镓开关，作为开关的本质等效为电压控制的可变电阻，沟道的夹断或者导通决定着信号的通断。由于其属于耗尽型FET，所以需要使用负压驱动栅极，当栅源负偏置在数值上大于夹断电压时，漏源之间电阻很大，可视为一个高阻抗状态；当零偏置栅电压加载到栅极时，则产生一个低阻抗状态。
    砷化镓开关具有很多优点，如低功耗，高开关速度，宽频带，还具有优良的IP3、隔离度特性，使其大量运用在需要高隔离、低插损、线性度要求较高的射频电路中。采用GaAs MESFET的射频开关作为固态T／R模块，在X波段到Ka波段的相控阵雷达有很重要的应用。
    本文中涉及的开关，为了提高在高频率上的隔离性能，在串联的FET后使用一个并联的FET。这个位置上的FET必须是“通”以提高隔离性能，且进入插入损耗状态时为“断”，这就要求开关有2种不同的控制电压，分别为“-5V”和“0”。

3 PCB板上信号线的特性阻抗
    首先先介绍微带线的相关理论知识。微带线的结构如图1所示。它的组成可分为2部分：一为宽度为W，厚度为T的导体带；二为接地板。它们均由导电良好的金属材料(如金、银、铜)构成，导体带与接地板之间填充以介质基片，导体带与接地板的间距为H。介质基片应采用损耗小，黏附性、均匀性和热传导性较好的材料，并要求其介电常数随频率和温度的变化也较小。

    微带线中传输的模式是由TE模和TM模组成的混合模式，是具有色散性质的模式并且模式特性和TEM模相差很小，即为准FEM模。对于微带线的特性阻抗，已经有很多相当成熟的计算方法。本文给出一种常用的计算公式。
    其中εr是PCB板材质的介电常数。此公式必须在0．1<(W／H)<2．0及1<(εr)<15的情况才能应用。在本文PCB板的设计过程中，导体与接地板的间距H为0．508 mm，板材介电常数εr为3．38。T和H相比可以忽略，当W=1．1 mm时，求得Z=49．251，很好地达到了匹配要求。在实际电路板中，由于多方面因素的影响，射频信号传输线的实际特性阻抗与计算值有所偏差，应加以适当的修正。

4 具体制作工艺
4．1 印制基板的选择
    印制电路基板是电子元器件导电图形连接的结构件，对电路设计的电性能，热性能，机械强度和可靠性起着重要的作用。根据以上特点，综合考虑我们选用了板厚为0．508 mm，敷铜箔厚为17／μm，介电常数为3．38的罗杰斯RO4003C板材，其性能满足作为表面安装要求，并用导电胶将微带电路板和腔体粘接在一起，并使背面良好的接地。
4．2 驱动电路的设计
    本文涉及的开关属于串联／并联FET的SPST形式，故开关通断的控制脚有2个(A、B)，控制高电平为-5 V，低电平为0。当A输入高电平而B输入低电平时，开关处于“ON”状态，反之则处于“OFF”状态。其对应的驱动电路如图2所示。

    其中负的逻辑电平由+5 V电平通过转换芯片MAX660来实现，采用负压驱动的理由是相比较于正压控制的砷化镓开关，开关的响应速度大大提高。TTL器件采用74HCT04，信号控制端接入一个稳定电压为5．1 V的稳压管。该驱动电路实现了两控制引脚输入电平的反相。
4．3 结构设计
    结构设计是整机设计的一个难点，结构设计不但影响整机的成本和可靠性，对整机设备的技术指标也有很大的影响，采用SMA插座作为射频信号端口，通过侧面开槽微带搭焊引出，供电则采用穿芯电容搭焊引出，开关的腔体和整机采用一体化设计。
4．4 测试结果
    通过以上工艺制造的开关，通过整机实际测量，频率2～4 GHz时隔离度达到48dB插入损耗不大于1．7dB。当控制信号脉宽为50ns，输入信号频率为3．1GHz时，输出波形如图3所示。其上升沿为4ns，下降沿为2．4ns。

5 结语
    本文基于MMIC技术和微带线特性阻抗理论设计出一种SPST射频开关，该开关模块在使用过程中，工作稳定，性能良好，符合测试系统的要求，有极高的实用价值。