X波段2×3平面开关矩阵设计

摘要 提出一种设计平面开关矩阵的方法。通过使用单刀单掷(SPST)芯片开关、芯片功分器和0 dB定向耦合器等简单电路实现开关矩阵的平面拓扑。由于射频电路使用键合工艺将芯片、微带无源电路进行连接，因此与传统开关矩阵相比，具有体积小、重量轻、工艺简单、可靠性高的特点。最后通过对一个X波段2×3平面开关矩阵设计和测试，证明了该设计的有效性。
关键词 开关矩阵；微带电路；定向耦合器

    微波开关矩阵由于可以提供多路微波信号的选通，在多波束一时分多址通信系统以及电子战系统中可以实现上行和下行等多通道微波信号之间的互联，因此在微波系统中具有重要的作用。传统的微波开关矩阵中多使用多层板电路实现传输线之间的交叉互联，由于工艺限制，使得设计复杂且成品率低。开关矩阵MMIC芯片可以实现小型化和高可靠性的开关矩阵，但是相关的开关矩阵产品例如Hittite的产品限制在10 GHz以下，国内的射频芯片生产单位目前没有可用的产品，因此给生产制作开关矩阵带来较大难度。在文献中提出了两种实现DPDT的方法，但back to back结构只能实现单路导通，不可以两路同时工作，ring type结构可以实现两路同时导通，但输入输出端不能出现在同一水平面上，不方便在系统中使用；该文献中的结构在多通路开关矩阵中将不可用。
    本文立足于当前国内的成熟工艺条件，提出了一种设计平面开关矩阵的方法。通过使用定向耦合器实现传输线之间的交叉互联，使用PIN单刀单掷和单刀多掷开关MMIC芯片和键合工艺实现开关矩阵的小型化和高可靠性。

1 设计方法理论分析
    双刀双掷开关矩阵RF原理如图1所示，图中的1—4端口均端接单刀双掷开关，实现端口之间的选通。该原理图中包括一个交叉点，通过该交叉点实现通路1→4和通路2→3。

    使用支线耦合器可以实现交叉点的互联。

    图2中各分支线长度为λg／4，旁边标注为该分支线的归一化导纳。按照文献有
   
    其中分支线长度主要决定了耦合器的中心频率，H的选择可以决定带宽和耦合平衡比。

    所以将双刀双掷开关的交叉点使用0 dB分支线耦合器代替后的电路原理图如图3所示。对于其他多刀多掷开关矩阵中的交叉点同样可以使用0 dB分支线耦合器，从而实现单平面电路。


2 设计实例
    设计工作于12±0．1 GHz的开关矩阵，输入功率为10 dBm，输出功率≥13 dBm。逻辑控制要求如表1所示。

    说明：0、1表示TTL控制电平
    (1)方案设计。端口1首先经过功分器分为两路，其中一路继续进行功分后驱动端口3，另外一路经过耦合器后功分驱动端口4和5；端口2首先经过功分器分为两路，其中一路继续进行功分，分出后驱动端口5，另外一路经过耦合器后功分驱动端口3和4。经过功分器和耦合器之后的支路通过SPST和SPDT进行逻辑控制，然后使用放大器放大到需要的电平从端口3、4、5输出，原理如图4所示。

    (2)耦合器仿真。按照式(1)和式(2)，当耦合度C=0 dB时，计算得到G1=1，取H=G2=1。选用Rogers5880的介质板，厚度为0．254 mm，介电常数为2．2。利用ADS自带的微带计算工具Linecalc计算得到1／4波长50 Ω微带线宽度为0．78 mm，长度为4．54 mm。在ADS中建立模型优化得到版图和仿真结果如图5所示。从仿真曲线可以看出，在理想情况下插入损耗为0．016 dB，端口驻波系数在20 dB以下，可以满足使用要求。

    (3)其他问题。为减小组件体积，其余电子元器件均选用GaAs的MMIC芯片。其中单刀双掷开关芯片、单刀单掷开关芯片、功分器芯片分别使用中国电科13所生产的NC1667C-618、NC1669C-218和BW494，放大器芯片使用Hittite公司生产的HMC564。使用单刀单掷开关是为了增加开关的隔离度。

    设计完成后的结构外形图如图6所示，组件外形为40 mm×60 mm×15 mm，射频端口为2．92 mm的K型阴头，逻辑控制、供电、接地端口为玻璃绝缘子。

    (4)测试结果。实物如图7所示，对盒盖进行激光封盖。经过调试后，射频端口驻波均在1．2以下，输出功率13．5±0．2 dBm，满足设计指标。

3 结束语
    本文提出了利用耦合器进行射频支路交叉的方法，可以使微波开关矩阵等复杂形式电路在同一平面内实现。同时给出了利用该方法设计的X波段2×3开关矩阵，实测结果满足设计要求，证明该方案有效可行。使用耦合器进行射频交叉可以有效简化电路形式，提高微波组件的可靠性，对微波组件研制生产具有重要意义。但该中方法中端口之间的隔离度主要取决于耦合器的端口隔离度，所以需要进一步研究以提高耦合器的隔离度。