摘要：射頻開關作為一個系統的重要組成部分其性能直接影響整個系統的指標和功能。其中插入損耗和隔離度以及開關速度是射頻開關最重要的幾個指標。在實際測試中，S波段脈沖信號源需要產生快前沿的窄脈沖信號。在此基于上述需求，利用了射頻開關模塊設計的基本原理，并結合了PCB上微帶線的特性阻抗分析，且設計了合適的開關驅動電路，最終設計出一種高隔離度，低插入損耗，高速射頻開關，開關控制電壓為(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，結果滿足設計要求。
關鍵詞：單刀單擲；射頻開關；特性阻抗；S波段

0 引言
射頻開關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現高性能的關鍵部件，很多電子產品的關鍵性能都依賴于開關的性能，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、自動測試設備等許多領域中有廣泛用途。射頻微波開關最突出的特點就是做高頻信號的傳輸路徑切換，以滿足測試系統的信號傳輸要求。
隨著現代無線通信系統的發展，移動通信、雷達、衛星通信等通信系統對收發切換開關的開關速度、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著消費市場。要滿足上述要求，正是要采用基于砷化鎵的微波單片集成電路(MMIC)技術，目前制造的MMIC工作在0．5～30 GHz的微波頻段，隨著更高頻率晶體管的成熟，在毫米波段(30～300 GHz)的應用將越來越多。本文首先簡介開關設計的主要因素，然后介紹工作在2～4 GHz用于脈沖信號源的開關的設計與實現。開關元件采用的是GaAs MESFET，傳輸線采用的是微帶線。

1 開關的主要性能指標
開關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。信號進行開關、傳輸或者放大處理的一個有限的頻率范圍被稱作帶寬。對于給定的負載條件，帶寬范圍用-3 dB(半功率)點定義。
(2)插入損耗和隔離度。理想開關，在斷開時衰減無限大，導通時衰減為零。由于在低阻狀態下開關器件為一個有限非零阻抗，在高阻狀態并非無限阻抗，因此開關電路不是理想電路。插入損耗定義為理想開關與實際開關在“通”狀態傳遞給負載的功率之比值。而隔離度定義為理想開關在“通”態與實際開關“斷”態時傳遞給負載功率之比值。插入損耗和隔離度是衡量開關質量優劣的基本指標。目標是設計低插入損耗和高隔離的開關。
(3)電壓駐波比(VSWR)。VSWR是對信號在傳送線路上反射的測量，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。假設開關置于測量儀器和DUT之間，對于幾個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關的特征阻抗、線纜阻抗和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保證整個系統完整性。
(5)功率傳輸。另一個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關系統。
(6)驅動器的要求。PIN管開關和FET開關的驅動電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓。驅動器好壞是影響開關速度的主要因素之一。
(7)開關速度。指開關從“斷”到“通”(或相反)改變狀態需要時間，在快速器件中是一個很重要的指標，開關速度提高到ns量級。
(8)功耗、使用壽命及開關尺寸等。在電源比較寶貴的場合，如移動通信中，對部件要求是低功耗。MEMS開關壽命較短，在設計中需要考慮開關的使用壽命，是以開關的動作次數來衡量的。另外，由于安裝等原因，需要考慮開關的尺寸問題。此外，還有價格等因素。

2 砷化鎵開關
砷化鎵開關，作為開關的本質等效為電壓控制的可變電阻，溝道的夾斷或者導通決定著信號的通斷。由于其屬于耗盡型FET，所以需要使用負壓驅動柵極，當柵源負偏置在數值上大于夾斷電壓時，漏源之間電阻很大，可視為一個高阻抗狀態；當零偏置柵電壓加載到柵極時，則產生一個低阻抗狀態。
砷化鎵開關具有很多優點，如低功耗，高開關速度，寬頻帶，還具有優良的IP3、隔離度特性，使其大量運用在需要高隔離、低插損、線性度要求較高的射頻電路中。采用GaAs MESFET的射頻開關作為固態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。
本文中涉及的開關，為了提高在高頻率上的隔離性能，在串聯的FET后使用一個并聯的FET。這個位置上的FET必須是“通”以提高隔離性能，且進入插入損耗狀態時為“斷”，這就要求開關有2種不同的控制電壓，分別為“-5V”和“0”。

3 PCB板上信號線的特性阻抗
首先先介紹微帶線的相關理論知識。微帶線的結構如圖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基片，導體帶與接地板的間距為H。介質基片應采用損耗小，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。對于微帶線的特性阻抗，已經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。