一種基于MMIC技術(shù)的S波段GaAs單刀單擲開(kāi)關(guān)

摘要：射頻開(kāi)關(guān)作為一個(gè)系統的重要組成部分其性能直接影響整個(gè)系統的指標和功能。其中插入損耗和隔離度以及開(kāi)關(guān)速度是射頻開(kāi)關(guān)最重要的幾個(gè)指標。在實(shí)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(kāi)關(guān)模塊設計的基本原理，并結合了PCB上微帶線(xiàn)的特性阻抗分析，且設計了合適的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路，最終設計出一種高隔離度，低插入損耗，高速射頻開(kāi)關(guān)，開(kāi)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，結果滿(mǎn)足設計要求。
關(guān)鍵詞：單刀單擲；射頻開(kāi)關(guān)；特性阻抗；S波段

0 引言
射頻開(kāi)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實(shí)現高性能的關(guān)鍵部件，很多電子產(chǎn)品的關(guān)鍵性能都依賴(lài)于開(kāi)關(guān)的性能，并直接影響系統的穩定性和可靠性。在衛星通信、相控陣雷達系統、電子戰、自動(dòng)測試設備等許多領(lǐng)域中有廣泛用途。射頻微波開(kāi)關(guān)最突出的特點(diǎn)就是做高頻信號的傳輸路徑切換，以滿(mǎn)足測試系統的信號傳輸要求。
隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展，移動(dòng)通信、雷達、衛星通信等通信系統對收發(fā)切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(dòng)著(zhù)消費市場(chǎng)。要滿(mǎn)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(zhù)更高頻率晶體管的成熟，在毫米波段(30～300 GHz)的應用將越來(lái)越多。本文首先簡(jiǎn)介開(kāi)關(guān)設計的主要因素，然后介紹工作在2～4 GHz用于脈沖信號源的開(kāi)關(guān)的設計與實(shí)現。開(kāi)關(guān)元件采用的是GaAs MESFET，傳輸線(xiàn)采用的是微帶線(xiàn)。

1 開(kāi)關(guān)的主要性能指標
開(kāi)關(guān)的設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(kāi)關(guān)、傳輸或者放大處理的一個(gè)有限的頻率范圍被稱(chēng)作帶寬。對于給定的負載條件，帶寬范圍用-3 dB(半功率)點(diǎn)定義。
(2)插入損耗和隔離度。理想開(kāi)關(guān)，在斷開(kāi)時(shí)衰減無(wú)限大，導通時(shí)衰減為零。由于在低阻狀態(tài)下開(kāi)關(guān)器件為一個(gè)有限非零阻抗，在高阻狀態(tài)并非無(wú)限阻抗，因此開(kāi)關(guān)電路不是理想電路。插入損耗定義為理想開(kāi)關(guān)與實(shí)際開(kāi)關(guān)在“通”狀態(tài)傳遞給負載的功率之比值。而隔離度定義為理想開(kāi)關(guān)在“通”態(tài)與實(shí)際開(kāi)關(guān)“斷”態(tài)時(shí)傳遞給負載功率之比值。插入損耗和隔離度是衡量開(kāi)關(guān)質(zhì)量?jì)?yōu)劣的基本指標。目標是設計低插入損耗和高隔離的開(kāi)關(guān)。
(3)電壓駐波比(VSWR)。VSWR是對信號在傳送線(xiàn)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。假設開(kāi)關(guān)置于測量?jì)x器和DUT之間，對于幾個(gè)系統中的所有的阻抗必須匹配。對于最佳的信號傳輸，源的輸出阻抗應等于開(kāi)關(guān)的特征阻抗、線(xiàn)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，適當的阻抗匹配將會(huì )保證整個(gè)系統完整性。
(5)功率傳輸。另一個(gè)重要的考慮是系統從儀器至DUT(待測設備)傳送RF功率的能力。由于插入損耗，信號可能需要放大。一些應用場(chǎng)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(kāi)關(guān)系統。
(6)驅動(dòng)器的要求。PIN管開(kāi)關(guān)和FET開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓。驅動(dòng)器好壞是影響開(kāi)關(guān)速度的主要因素之一。
(7)開(kāi)關(guān)速度。指開(kāi)關(guān)從“斷”到“通”(或相反)改變狀態(tài)需要時(shí)間，在快速器件中是一個(gè)很重要的指標，開(kāi)關(guān)速度提高到ns量級。
(8)功耗、使用壽命及開(kāi)關(guān)尺寸等。在電源比較寶貴的場(chǎng)合，如移動(dòng)通信中，對部件要求是低功耗。MEMS開(kāi)關(guān)壽命較短，在設計中需要考慮開(kāi)關(guān)的使用壽命，是以開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數來(lái)衡量的。另外，由于安裝等原因，需要考慮開(kāi)關(guān)的尺寸問(wèn)題。此外，還有價(jià)格等因素。

2 砷化鎵開(kāi)關(guān)
砷化鎵開(kāi)關(guān)，作為開(kāi)關(guān)的本質(zhì)等效為電壓控制的可變電阻，溝道的夾斷或者導通決定著(zhù)信號的通斷。由于其屬于耗盡型FET，所以需要使用負壓驅動(dòng)柵極，當柵源負偏置在數值上大于夾斷電壓時(shí)，漏源之間電阻很大，可視為一個(gè)高阻抗狀態(tài)；當零偏置柵電壓加載到柵極時(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)低阻抗狀態(tài)。
砷化鎵開(kāi)關(guān)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如低功耗，高開(kāi)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(xiàn)性度要求較高的射頻電路中。采用GaAs MESFET的射頻開(kāi)關(guān)作為固態(tài)T／R模塊，在X波段到Ka波段的相控陣雷達有很重要的應用。
本文中涉及的開(kāi)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(gè)并聯(lián)的FET。這個(gè)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(shí)為“斷”，這就要求開(kāi)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(xiàn)的特性阻抗
首先先介紹微帶線(xiàn)的相關(guān)理論知識。微帶線(xiàn)的結構如圖1所示。它的組成可分為2部分：一為寬度為W，厚度為T(mén)的導體帶；二為接地板。它們均由導電良好的金屬材料(如金、銀、銅)構成，導體帶與接地板之間填充以介質(zhì)基片，導體帶與接地板的間距為H。介質(zhì)基片應采用損耗小，黏附性、均勻性和熱傳導性較好的材料，并要求其介電常數隨頻率和溫度的變化也較小。

微帶線(xiàn)中傳輸的模式是由TE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FEM模。對于微帶線(xiàn)的特性阻抗，已經(jīng)有很多相當成熟的計算方法。本文給出一種常用的計算公式。