固態開關結構緊湊（可以芯片化），開關速度快（ns級），是微波電路中非常重要的器件，微波調制器，移相器，數控衰減器，捷變頻綜，信道選擇等都離不開固態開關。固態開關由于使用功率，帶寬，頻率等不同,結構種類繁多。個人在開關上經驗有限，我盡可能把我理解到的固態開關的概念表述出來，有出入也請諒解。關于開關計劃寫兩期，第一期偏重于仿真設計和科普性質；第二期偏重于講解開關的關鍵參數間的設計權衡。

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1.核心器件PIN管特性

固態開關的結構形式見圖 1所示，由驅動電路和PIN管組成，驅動電路可以提供PIN管適當的控制電壓和電流，合理的設計可以提高切換速度。PIN管是實現微波信號通斷的核心部件，了解PIN管特性是合理設計微波開關的關鍵。

圖1 固態開關及PIN管的結構形式

我們從skyworks官網上可以看到一個裸芯片式的典型的PIN管具有圖 2所示的特性。

圖2 PIN管的典型參數

可以看到PIN管根據加電方式具有兩種狀態：

·正向導通時等效一個非常小的電阻（約1歐@10mA），近似短路。

·PIN管在反向關斷時等效一個非常小的電容（約0.2pf@-5V），近似開路

教科書及官方網站對PIN管的等效電路如圖 3所示，詳細的對PIN管的特性分析可以參考《微帶電路》第八章的內容和skyworks《Design With PIN Diodes》及《PIN Diode Basics》的介紹。

圖3 PIN管在正向和反相工作時的等效電路

開關就是利用了PIN管在正反加電時對微波信號呈現的不同阻抗來實現的，設計開關實際上變成了對反向時的電容和正向時的電阻的寬帶匹配問題。

從skyworks的官網中下載帶有封裝的SMP1322-CSP的等效電路如圖 4所示。

圖4 帶封裝的PIN管等效電路

帶有封裝的PIN管等效電路中含有寄生的引線電感、封裝電感及封裝電容。這些寄生效應在精確設計時需要考慮。低頻工作及非精確設計時完全可以忽略。

2.固態開關的基本結構

微波開關的結構形式教科書上講的比較多，詳細的可以參考《微帶電路》一書，但無論如何變化都只是圖 5所示的簡單串并結構的組合。用微波信號在各節點能量流動的方式比較容易理解開關的工作方式。

·正向偏置時PIN管近似短路，串聯使用時開關直通，并聯使用時微波信號流向大地開關關斷；反向偏置時PIN管對微波信號近似開路，串聯使用時微波信號不能傳輸實現關斷，并聯使用時微波信號流向負載實現直通；
·扼流電感對微波信號的高阻范圍影響PIN管的開關帶寬，超寬帶開關中合理設計扼流電感比較關鍵；
·串聯PIN管的焊盤間存在耦合，會影響關斷隔離度；
·串聯管一般安裝在PCB板的焊盤上，相對來說導熱較差，不適合用在大功率場合，所以大功率開關一般不使用串聯管；并聯管的一端一般導電膠直接粘接在金屬腔體上散熱好，可以用在大功率場合。
·PIN固體開關可以實現小功率控制大功率，特別是反向偏置工作時反向偏置電壓可以遠遠低于微波信號的峰峰值，原因計劃在第二篇中詳細說明。

圖5 PIN管的兩種使用結構

3.超寬帶固態開關的設計實例

一個典型的超寬帶固態開關的原理圖如圖 6所示，采用串并結構，公共接口采用串聯管可以方便實現關斷路的開路隔離，分支路上采用并聯管可以根據隔離要求適當靈活增加并聯管數量。

圖6 典型超寬帶開關的原理及典型電路結構圖

1) 電路原理仿真

實例選用skyworks的梁氏引線管DSM8100-000作為串聯管，APD0805-000作為并聯管進行一個簡單的SP3T開關設計，兩個管子的詳細參數如圖 7所示。

圖7 兩個PIN管的核心參數

根據PIN管開通關斷時對微波信號的等效電阻，電容模型，建立SP3T開關的電路原理模型見圖 8所示。

圖8 SP3T開關仿真模型

設計這個原理圖有下列幾點考慮：

·單獨考慮公共節點工作時有兩個電容并聯到地，該結構適合采用高低阻抗低通原理進行匹配，所以在公共路上采用了高低阻抗枝節進行了低通式匹配。

·第一路工作時，2,3路在公共節點處的阻抗應該維持為開路，所以必須保持圖 8中藍色陰影框中的部分處在高阻抗態，因此串聯管和并聯管間的傳輸線長度不能過長，過長會產生串聯諧振影響開關工作。

基于以上兩點的考慮，設計完成的原理圖仿真結果見圖 9所示。

圖9 SP3T開關原理仿真結果

2)電磁仿真

根據原理仿真的拓撲結構在電磁仿真軟件中建立模型對開關進行電磁仿真，個人習慣對平面電路在sonnet中進行電磁仿真驗證，仿真結構見圖 10所示（圖中對bonding線進行了近似模擬），由于電磁仿真結構中無法添加直接到地的元件，因此必須另外建立一個網表仿真文件將并聯管的等效特性加入到電路中。

圖10 sonnet中開關電磁仿真結構

經過一次仿真結果見圖 11所示，可以看到仿真圖中在高頻約17.8GHz處有串聯諧振發生，因此必須減小串聯管和并聯管間的傳輸線長度來避免諧振現象發生，將改長度從2mm調整至1.8mm，重新仿真結果見圖 12所示。

圖 11      SP3T開關電磁仿真結果

圖 12      調整后的SP3T仿真結果

這里的電磁仿真結構中沒有考慮扼流線圈的影響，因此在低頻段開關也能工作的很好，但由于扼流線圈的存在，實際的開關不可能工作在這么理想的帶寬里。扼流線圈小，低頻段工作就要受影響。扼流線圈大由于自身的寄生電容效應高頻處就無法達到理想狀態，因此在實際設計中扼流線圈的設計也非常重要。

由于篇幅有限，固體開關設計時的指標權衡將在第二篇中進行詳細介紹。

作者：趙 強 微信：q_zhao_ls 聯系方式：18180564516