ADS仿真技术的通信电台收发开关的设计

前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的ADS仿真技术的通信电台收发开关的设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。

摘要：PIN开关因其插入损耗低、隔离度大、开关速度快、承受功率大、开关寿命长、电路设计灵活多样等诸多优点，广泛应用于无线通信、电子对抗、雷达系统等许多领域。本文通过对PIN二极管原理及PIN开关基本模型的分析，利用射频ads软件仿真，实现某通信电台收发开关的设计与应用。

关键词：PIN二极管；电子开关；隔离度；插损；ADS仿真

0前言

随着无线通信技术的发展，移动通信、雷达探测、卫星通信等系统对收发开关的各项技术指标要求越来越严，如隔离度、转换速度、功率容量、集成性等方面。射频开关是通讯领域控制信号的传输路径和信号大小幅度的器件,从工作原理上可分为机械开关、铁氧体开关、PIN二极管开关、EFT场效应开关。机械开关和铁氧体开关能承受较高功率，但受到切换速度和寿命的影响，不宜应用于高速、频繁切换的电路；PIN二极管开关因其插入损耗低、隔离度大、开关速度快、承受功率大、开关寿命长、电路设计灵活多样等诸多优点，被广泛应用于无线通信、电子对抗、雷达探测系统等许多领域。无线通信系统的半双工收发电路中，一般采用开关切换技术来使收发通道共享一副天线，减少电路的体积和重量。本文所设计应用的收发开关用于某无线通信电台天线端口至发射机和天线端口至接收机之间的切换，实现收发通道共享一副天线。如图1所示。

1PIN二极管结构与工作原理

PIN二极管（PINDiode)简称PIN管。PIN管是一种两端半导体元器件，通常由硅或砷化镓材料制成，它的结构是在重掺杂的P+和N+区之间加入一个未掺杂的本征层I层构成，如图2所示。PIN二极管的工作原理是利用其在直流电压的控制下，PIN二极管的阻抗随着I区载流子数量的变化而变化的特性实现对射频微波信号的控制，呈现近似导通或者断开的阻抗特性，结合串联、并联或者串并联的组合方式，从而实现通道转换作用。在正向电流偏置下，空穴和电子被注入到I层，使得I层对射频微波信号只呈现一个线性电阻，阻抗RS最小，接近于短路。其等效电路由一个寄生电感和电阻RS组成，如图3(a)所示。其中Lint为寄生电感，RS为串联等效电阻。在反向偏置时，I层不会存储电荷，二极管就等效为一个电容Cj并联一个电阻Rr,阻值最大接近于开路，其等效电路如图3(b)所示。其中Lint为寄生电感，Rr为等效并联电阻，Cj为结电容。PIN二极管的直流伏安特性和PN结二极管直流伏安特性一样，但在射频微波频段有着根本的差别。PIN二极管I层的总电荷主要由偏置电流产生，而不是由微波电流瞬时值产生，对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置所决定，正偏时阻值小，接近于短路，相当于开关的“开”状态；反偏时阻值大，接近于开路，相当于开关的“关”状态。因此，PIN二极管对微波信号不产生非线性整流作用，和一般二极管有着本质的区别，故此很适合于做射频微波控制器件。

2PIN二极管的主要技术参数

(1)截止频率由于PIN二极管受分布参数的影响，如管壳电容、引线电感和结电容作用，其频带范围带宽是有限的。12FoMHzπCjRfRr=式中，RS为正向电阻，Rr为反向电阻，Cj为结电容。(2)插入损耗和隔离度由PIN二极管的等效电路可知，在分布参数的作用下，在正偏时开关的衰减不为零，存在一定数值的电抗及损耗电阻，此时的阻抗称为插入损耗。同理，开关在关断时受其分布参数的影响，其衰减也并非无穷大，此时的阻抗称为隔离度。隔离度和插入损耗是衡量开关优劣的主要指标，工程应用中通常希望插入损耗小、隔离度大。对于串联型开关而言，在50Ω的微波射频系统中，插入损耗为：10IL=20log1+Rs/2ZodB其隔离度为：()210I10log[14πfCZo]dB−=+对于串联型开关而言，在50Ω的微波射频系统中，插入损耗为：()210IL=10log[1+πfCtZo]dB其隔离度为：10I=20log1+Zo/2RsdB式中，Rs为正偏时的等效串联电阻；Zo为系统阻抗值；Ct为反偏时的等效结电容；f为测试频率。(3)开关速率由于电荷的存储效应，PIN开关二极管从导通状态变为截止状态，以及从截止状态变为导通状态都需要一个过程。这个转换过程所需的时间为开关时间，也就是开关转换速率。(4)功率容量射频微波开关所能承受的最大输入功率称为功率容量。它与PIN管管芯PN结面积以及电路类型、工作状态、散热条件等有关。(5)电压驻波系数电压驻波系数反映射频微波端口输入、输出匹配情况。任何高频信道上的元器件都会产生插入损耗，同时还会使信号传输线上的驻波增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成，这种干涉波是因系统中不同电路、元器件的阻抗不匹配或者电路系统中连接点的阻抗不匹配所造成的。

3PIN开关二极管应用设计与实现

基于上述PIN二极管正反偏下不同的阻抗特性，可以用来控制电路的通断，组成微波射频开关电路。在电路应用中，一个PIN二极管就可以构成一个简单的单刀单掷开关，如图4所示。串联型结构的开关常常用于宽频带和低插损的电路，其最大隔离度取决于PIN二极管在零偏或者反相偏置时的结电容Cj，插损和功耗由二极管的正向电阻RS所决定；并联型结构开关电路适合宽频率范围，较大隔离度的电路中，隔离度取决于PIN管的正向电阻，插入损耗主要取决于PIN管的反相结电容。在工程应用中，多掷开关有更广泛的应用，用2个或者2个以上的PIN管就可以组成一个简单的单刀双掷开关，也通常有3种形式：串联型结构、并联型结构和串并联型结构，如图5所示。根据系统要求，发射时接收端隔离度要求≥30dB，结合前面对PIN开关模型的分析，利用ADS仿真系统仿真，提出了一种设计方案，电路原理图如图6所示。通过综合考虑和ADS仿真验证，最终选择MA-COM公司生产MA8334-001和MA4P504-1072T构成了一个“串联”型电路。根据PIN二级管的高频模型和所选管子的主要参数，利用ADS建模仿真如图7、图8所示。用安捷伦8712ES矢量网络分析仪测试，测试结果如表1所示。

4结束语

本文仿真设计的收发开关具有体积小、插入损耗低、反应速度快、承受功率大，收发共用一副天线，有效的减小电路体积和冗余，隔离度等各项指标性能满足某通信系统需求，该方案简单实用、稳定可靠。

作者：周启奎 单位：中国电子科技集团公司第十研究所