X波段2×3平面開關矩陣設計

摘要 提出一種設計平面開關矩陣的方法。通過使用單刀單擲(SPST)芯片開關、芯片功分器和0 dB定向耦合器等簡單電路實現開關矩陣的平面拓撲。由于射頻電路使用鍵合工藝將芯片、微帶無源電路進行連接，因此與傳統開關矩陣相比，具有體積小、重量輕、工藝簡單、可靠性高的特點。最后通過對一個X波段2×3平面開關矩陣設計和測試，證明了該設計的有效性。
關鍵詞 開關矩陣；微帶電路；定向耦合器

微波開關矩陣由于可以提供多路微波信號的選通，在多波束一時分多址通信系統以及電子戰系統中可以實現上行和下行等多通道微波信號之間的互聯，因此在微波系統中具有重要的作用。傳統的微波開關矩陣中多使用多層板電路實現傳輸線之間的交叉互聯，由于工藝限制，使得設計復雜且成品率低。開關矩陣MMIC芯片可以實現小型化和高可靠性的開關矩陣，但是相關的開關矩陣產品例如Hittite的產品限制在10 GHz以下，國內的射頻芯片生產單位目前沒有可用的產品，因此給生產制作開關矩陣帶來較大難度。在文獻中提出了兩種實現DPDT的方法，但back to back結構只能實現單路導通，不可以兩路同時工作，ring type結構可以實現兩路同時導通，但輸入輸出端不能出現在同一水平面上，不方便在系統中使用；該文獻中的結構在多通路開關矩陣中將不可用。
本文立足于當前國內的成熟工藝條件，提出了一種設計平面開關矩陣的方法。通過使用定向耦合器實現傳輸線之間的交叉互聯，使用PIN單刀單擲和單刀多擲開關MMIC芯片和鍵合工藝實現開關矩陣的小型化和高可靠性。

1 設計方法理論分析
雙刀雙擲開關矩陣RF原理如圖1所示，圖中的1—4端口均端接單刀雙擲開關，實現端口之間的選通。該原理圖中包括一個交叉點，通過該交叉點實現通路1→4和通路2→3。

使用支線耦合器可以實現交叉點的互聯。

圖2中各分支線長度為λg／4，旁邊標注為該分支線的歸一化導納。按照文獻有

其中分支線長度主要決定了耦合器的中心頻率，H的選擇可以決定帶寬和耦合平衡比。

所以將雙刀雙擲開關的交叉點使用0 dB分支線耦合器代替后的電路原理圖如圖3所示。對于其他多刀多擲開關矩陣中的交叉點同樣可以使用0 dB分支線耦合器，從而實現單平面電路。

2 設計實例
設計工作于12±0．1 GHz的開關矩陣，輸入功率為10 dBm，輸出功率≥13 dBm。邏輯控制要求如表1所示。

說明：0、1表示TTL控制電平
(1)方案設計。端口1首先經過功分器分為兩路，其中一路繼續進行功分后驅動端口3，另外一路經過耦合器后功分驅動端口4和5；端口2首先經過功分器分為兩路，其中一路繼續進行功分，分出后驅動端口5，另外一路經過耦合器后功分驅動端口3和4。經過功分器和耦合器之后的支路通過SPST和SPDT進行邏輯控制，然后使用放大器放大到需要的電平從端口3、4、5輸出，原理如圖4所示。

(2)耦合器仿真。按照式(1)和式(2)，當耦合度C=0 dB時，計算得到G1=1，取H=G2=1。選用Rogers5880的介質板，厚度為0．254 mm，介電常數為2．2。利用ADS自帶的微帶計算工具Linecalc計算得到1／4波長50 Ω微帶線寬度為0．78 mm，長度為4．54 mm。在ADS中建立模型優化得到版圖和仿真結果如圖5所示。從仿真曲線可以看出，在理想情況下插入損耗為0．016 dB，端口駐波系數在20 dB以下，可以滿足使用要求。

(3)其他問題。為減小組件體積，其余電子元器件均選用GaAs的MMIC芯片。其中單刀雙擲開關芯片、單刀單擲開關芯片、功分器芯片分別使用中國電科13所生產的NC1667C-618、NC1669C-218和BW494，放大器芯片使用Hittite公司生產的HMC564。使用單刀單擲開關是為了增加開關的隔離度。

設計完成后的結構外形圖如圖6所示，組件外形為40 mm×60 mm×15 mm，射頻端口為2．92 mm的K型陰頭，邏輯控制、供電、接地端口為玻璃絕緣子。

(4)測試結果。實物如圖7所示，對盒蓋進行激光封蓋。經過調試后，射頻端口駐波均在1．2以下，輸出功率13．5±0．2 dBm，滿足設計指標。

3 結束語
本文提出了利用耦合器進行射頻支路交叉的方法，可以使微波開關矩陣等復雜形式電路在同一平面內實現。同時給出了利用該方法設計的X波段2×3開關矩陣，實測結果滿足設計要求，證明該方案有效可行。使用耦合器進行射頻交叉可以有效簡化電路形式，提高微波組件的可靠性，對微波組件研制生產具有重要意義。但該中方法中端口之間的隔離度主要取決于耦合器的端口隔離度，所以需要進一步研究以提高耦合器的隔離度。