多扇區(qū)天線陣列中的微帶開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷 昕，馮 狄，韓仲華，徐海川

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第15研究所，北京 100083)

0 引言

作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)的主要研究方向之一，天線技術(shù)是目前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，特別是具備自適應(yīng)調(diào)整天線方向圖能力的智能天線技術(shù)受到廣泛關(guān)注。智能天線采用空分復(fù)用技術(shù)，利用信號(hào)在傳播方向上的差別，實(shí)現(xiàn)同頻率同時(shí)隙的信號(hào)無(wú)干擾并行傳輸，從而大大擴(kuò)展通信系統(tǒng)容量;此外，智能天線動(dòng)態(tài)調(diào)整的定向波束可以抑制同頻干擾，提高信噪比和鏈路增益，從而增大系統(tǒng)覆蓋距離并提升鏈路吞吐量。

波束切換天線作為智能天線的一種實(shí)現(xiàn)形態(tài)，和自適應(yīng)天線陣相比，具備計(jì)算量少，性價(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在一些專用通信系統(tǒng)中已得到采用并取得了良好效果，本文涉及的多扇區(qū)天線陣列就是一種波束切換天線。波束切換天線的硬件基礎(chǔ)支撐平臺(tái)主要包括切換電路組件和天線組件，其中切換電路組件是實(shí)現(xiàn)波束切換功能的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)將信號(hào)在多天線扇區(qū)之間進(jìn)行分配。其主要形式為射頻微波開(kāi)關(guān)電路，在射頻開(kāi)關(guān)電路的多種形態(tài)中，微帶線與PIN二級(jí)管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路具備性能高、成本低和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于中低功率射頻電路。

結(jié)合波束切換天線概念，提出了一種應(yīng)用于多扇區(qū)天線陣列的單刀八擲射頻開(kāi)關(guān)電路，工作在5.7～5.9 GHz頻段，多扇區(qū)天線陣列共包括8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)天線水平面波束覆蓋范圍為45°，信號(hào)通過(guò)單刀八擲射頻開(kāi)關(guān)電路在各扇區(qū)天線間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，從而實(shí)現(xiàn)360°水平全向覆蓋。單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)由微帶線和PIN二極管構(gòu)成，通過(guò)采用ADS Momentum電磁場(chǎng)仿真工具進(jìn)行仿真及實(shí)際生產(chǎn)并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)的插入損耗、隔離度和駐波比等關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 基本理論

PIN二極管是微波開(kāi)關(guān)中應(yīng)用最普遍，其結(jié)構(gòu)是在重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)中間夾一層寬度較大的不摻雜的本征區(qū)，本征區(qū)也稱為I區(qū)。PIN二極管的直流伏安特性和普通PN結(jié)二極管是一樣的，但是在微波頻率的特性卻有很大差別。PIN二極管不具有一般二極管的單向?qū)щ娦院驼餍?yīng)，其微波阻抗主要取決于直流偏置的極性和大小，與微波信號(hào)的幅度幾乎無(wú)關(guān)。PIN二極管在正向偏置時(shí)對(duì)微波信號(hào)只呈現(xiàn)為一個(gè)線性電阻，此阻值由直流偏置決定，正偏置時(shí)阻值小，接近短路;反向偏置時(shí)阻值很大，接近開(kāi)路?？傊琍IN二極管對(duì)微波信號(hào)不產(chǎn)生非線性整流作用，其微波阻抗只取決于直流偏置特性，這是PIN二極管和普通二極管的根本區(qū)別［1～3］。

帶封裝的PIN二極管正向偏置和反向偏置時(shí)的等效電路，如圖1所示，Ls為引線電感，Cp為管殼電容，Rf為正向電阻，Cj為反向電容，Rj為反向電阻，其中Rf≈Rj。

圖1 正向偏置與反向偏置等效電路

PIN二極管在不考慮封裝寄生參量時(shí)，其正向狀態(tài)可用正向電阻Rf表示，反向狀態(tài)可以用反向串聯(lián)電阻Rj和I層容抗jXj串聯(lián)表示。由于Rj? Xj，故反向狀態(tài)可近似以jXj表示，正反兩種狀態(tài)下阻抗的比值Xc/Rf稱為開(kāi)關(guān)比，用以衡量PIN開(kāi)關(guān)的優(yōu)劣。欲使開(kāi)關(guān)的性能優(yōu)良，必須盡可能提高開(kāi)關(guān)比，即應(yīng)盡量減小 C 值和 Rf值［4～6］。

封裝寄生參量對(duì)開(kāi)關(guān)性能會(huì)引起不利影響。串聯(lián)電感Ls增加了正向阻抗，并聯(lián)電容Cp則減小了反向阻抗，使開(kāi)關(guān)比降低?？筛郊诱{(diào)諧元件，使正向時(shí)得到串聯(lián)諧振，反向時(shí)并聯(lián)諧振，因而得到高的開(kāi)關(guān)比。當(dāng)開(kāi)關(guān)比相同，而二極管正反向阻抗相對(duì)于傳輸線特性阻抗稍大時(shí)，宜于做成串聯(lián)結(jié)構(gòu);而相對(duì)于傳輸線特性阻抗較小時(shí)，宜于做成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。并聯(lián)PIN二極管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 并聯(lián)PIN二極管結(jié)構(gòu)

當(dāng)二極管并聯(lián)在傳輸線上，其歸一化導(dǎo)納為y=g－jb時(shí)，則其插入損耗

當(dāng)多個(gè)PIN二極管級(jí)聯(lián)時(shí)，為了使總插入損耗最低，PIN二極管間距應(yīng)滿足式(3)

式中，b為二極管截止時(shí)歸一化電納;l為PIN二極管間距。

當(dāng)多個(gè)PIN二極管級(jí)聯(lián)時(shí)，為了使總隔離度最高，PIN二極管間距應(yīng)滿足下式

式中，b為二極管導(dǎo)通時(shí)歸一化電納;e為PIN二極管間距。

如果二極管正向電抗為零，反向電抗為無(wú)限大，處于此理想情況時(shí)，取l=λ/4，可同時(shí)滿足開(kāi)關(guān)理想通斷(最小插入損耗和最大隔離度)條件。但實(shí)際上PIN管的正反向電抗不可能是理想的，如果l根據(jù)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的最小插入損耗條件選擇則必和開(kāi)關(guān)截?cái)鄷r(shí)的最大隔離度條件矛盾。因此必須兼顧進(jìn)行選擇。

如果間距l(xiāng)和二極管歸一化電抗x均按照開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)最大隔離度條件選取，則根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果，此時(shí)的總衰減值比單個(gè)二極管的隔離度的N倍(N為級(jí)連二極管的個(gè)數(shù))還要大一個(gè)附加值，即總的最大衰減Am為

式中，A1為單管的隔離度，Axn為附加衰減，與A1及二極管的個(gè)數(shù)有關(guān)。

2 單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)應(yīng)用于多扇區(qū)天線陣列，以實(shí)現(xiàn)波束切換功能。對(duì)其主要功能指標(biāo)要求為:端口駐波比小于2，插入損耗小于3 dB，同側(cè)隔離度大于25 dB，異側(cè)隔離度大于40 dB。

在設(shè)計(jì)單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)時(shí)，首先需要進(jìn)行的是PIN二極管的選型，根據(jù)PIN二極管開(kāi)關(guān)基本理論，為了提高開(kāi)關(guān)的性能，需要選擇開(kāi)關(guān)比較高的PIN二極管，即PIN二極管需要具備較小的正向電阻Rf和反向電容C。此外，由于封裝的寄生參量會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)的性能產(chǎn)生不利的影響，因此需要選擇封裝引線電感Ls和管殼電容Cp較小的PIN二極管，以盡可能提高PIN二極管的開(kāi)關(guān)比。設(shè)計(jì)中選擇的PIN二極管參數(shù)如下:正向電阻Rf=2Ω，反向電容C=0.2 pF，引線電感 Ls=0.7 nH。

在傳輸功率不大且散熱良好的情況下，PIN二極管開(kāi)關(guān)采用的電路結(jié)構(gòu)主要取決于二極管正反向阻抗與傳輸線特性阻抗的關(guān)系。當(dāng)二極管正反向阻抗相對(duì)于傳輸線特性阻抗稍大時(shí)，宜于做成串聯(lián)結(jié)構(gòu);而相對(duì)于傳輸線特性阻抗較小時(shí)，宜于做成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)選取PIN二極管的特征參數(shù)，可以算出正向阻抗約為2+25.5j，反向阻抗約為2 －111.8j，設(shè)計(jì)中微帶線特性阻抗為50 Ω，正反向阻抗相對(duì)于微帶線特性阻抗較小，因此PIN二極管電路采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)單級(jí)PIN二極管插入損耗與隔離度的計(jì)算公式，將所選取PIN二極管的特征參數(shù)代入，可以算得單級(jí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)PIN二極管插入損耗約為0.14 dB，隔離度為22.6 dB?？紤]到PIN二極管封裝寄生參量的影響，單級(jí)開(kāi)關(guān)插入損耗和隔離度實(shí)際性能均會(huì)比理論計(jì)算值有所惡化，為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用三級(jí)PIN二極管并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

最終單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)際電路，如圖3所示，根據(jù)多扇區(qū)天線陣列整體要求，電路布局采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，首先從中心端口通過(guò)一級(jí)PIN二極管分為兩側(cè)，每一側(cè)再進(jìn)一步分為四路，每路又包含兩級(jí)PIN二極管，間距為λ/4。對(duì)于某一通路，與其異側(cè)的四條支路包含三級(jí)PIN二極管，理論上隔離度應(yīng)大于3×22=66 dB，而與其同側(cè)的三條支路包含兩級(jí)PIN二極管，理論上隔離度應(yīng)大于2×22=44 dB。在每個(gè)PIN二級(jí)管處均有一段調(diào)諧枝節(jié)線，用以對(duì)PIN二極管的封裝寄生參量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)際電路

3 仿真與測(cè)量

采用ADS Momentum電磁場(chǎng)仿真平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真與調(diào)節(jié)，其中PIN二極管模型采用廠商提供的S2P模型。端口回波損耗、通路插入損耗、異側(cè)四條支路隔離度、同側(cè)三條支路隔離度仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看到，所設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)在5.7～5.9 GHz工作頻段上的端口回波損耗均大于10 dB，通路插入損耗均小于2 dB，同側(cè)三條支路隔離度均大于25 dB，異側(cè)四條支路隔離度均大于40 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)性能，制作了樣板并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了端口回波損耗、通路插入損耗和隔離度等性能指標(biāo)測(cè)試。在測(cè)試時(shí)對(duì)PIN二極管調(diào)諧枝節(jié)線進(jìn)行了調(diào)節(jié)，從而對(duì)插入損耗和隔離度性能進(jìn)行優(yōu)化。端口回波損耗、通路插入損耗、異側(cè)四條支路隔離度、同側(cè)三條支路隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)結(jié)果

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，所設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)在5.7～5.9 GHz工作頻段上的端口回波損耗均大于10 dB，通路插入損耗均小于3 dB，同側(cè)三條支路隔離度約為40 dB，異側(cè)四條支路隔離度約為60 dB，和仿真結(jié)果基本吻合并滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合波束切換天線概念，提出了一種應(yīng)用于多扇區(qū)天線陣列的單刀八擲射頻開(kāi)關(guān)電路，工作在5.7～5.9 GHz頻段，多扇區(qū)天線陣列共包括8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)天線水平面波束覆蓋范圍為45°，信號(hào)通過(guò)單刀八擲射頻開(kāi)關(guān)電路在各扇區(qū)天線間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，從而實(shí)現(xiàn)360°水平全向覆蓋。單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)由微帶線和PIN二極管構(gòu)成，通過(guò)采用ADS Momentum電磁場(chǎng)仿真工具進(jìn)行仿真及實(shí)際生產(chǎn)并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的單刀八擲微帶開(kāi)關(guān)的插入損耗、隔離度和駐波比等關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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