微波開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18462微波開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)分析案例 1291401.1開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理 1148681.2散射參數(shù)理論 2325391.3開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo) 3196791.3.1插入損耗 3272571.3.2隔離度 393861.3.3回波損耗 31.1開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理在現(xiàn)代微波開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，核心器件就是FET開(kāi)關(guān)管。整個(gè)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)切換幾乎都是由FET開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)來(lái)決定的，或者再加上一些其他的元件。故而FET晶體管本身就有著“開(kāi)關(guān)特性”。耗盡型MOSFET管截面圖和輸出特性曲線如下所示：（a）（b）圖.SEQ圖\*ARABIC1耗盡型MOSFET管。(a)MOSFET截面圖；（b）MOSFET輸出特性曲線耗盡型FET管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子Na+或K+，滲進(jìn)襯底，產(chǎn)生溝道，故而在無(wú)外加電壓時(shí)也會(huì)有溝道的存在。當(dāng)外加電壓使Vgs>0時(shí)，溝道會(huì)變寬，當(dāng)Vgs<0時(shí)，溝道變窄甚至夾斷，沒(méi)有電流流通，即此時(shí)處于截止區(qū)。根據(jù)這個(gè)特性，可將耗盡型FET管用來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)。1.2散射參數(shù)理論散射參數(shù)即S參數(shù)在射頻微波電路中應(yīng)用廣泛，是電路設(shè)計(jì)中常用的分析工具之一。在低頻電路中，信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，元器件的尺寸（一般小于波長(zhǎng)的十分之一）可以忽略不計(jì)，將之視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，故稱這種電路為節(jié)點(diǎn)電路，使用常規(guī)的電壓、電流定律來(lái)進(jìn)行電路計(jì)算。而在高頻（微波）電路中，波長(zhǎng)較短，元件的尺寸就不能再視為節(jié)點(diǎn)了，故常規(guī)的電路理論已經(jīng)不再適用了，這時(shí)我們就需要采用電磁場(chǎng)理論中的反射和傳輸模式來(lái)分析電路。器件內(nèi)部的電磁波干擾，使電壓和電流失去了一致性，此時(shí)我們可以將實(shí)際的微波器件（系統(tǒng)）簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，用端口網(wǎng)絡(luò)去描述器件和電路的參數(shù)，即S參數(shù)。下面以一個(gè)二端口的網(wǎng)絡(luò)模型為例簡(jiǎn)單說(shuō)明一下S參數(shù)的含義。如圖2所示：圖SEQ圖\*ARABIC2二端口網(wǎng)絡(luò)模型二端口網(wǎng)絡(luò)一共有四個(gè)S參數(shù)，分別是S11、S22、S12、S21。其中Sab表示能量b端口注入，在a端口測(cè)得的能量。各個(gè)參數(shù)的物理意義如下表所示：表SEQ表\*ARABIC1S參數(shù)物理意義S參數(shù)物理意義S11端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)S22端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)S12端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)S21端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)在微波開(kāi)關(guān)等效的二端口網(wǎng)絡(luò)中，Port1接輸入信號(hào)為輸入端，Port2接輸出信號(hào)為輸出端。那么S11、S22分別表示輸入/輸出的回波損耗，即表示有多少能量被反射回輸入端/輸出端。而S21表示插入損耗，即有多少能量被傳輸?shù)捷敵龆?，其值越大表示傳輸?shù)男试礁摺?.3開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)微波開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)有三個(gè)，分別是插入損耗，隔離度，回波損耗。但是在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中，這三個(gè)性能指標(biāo)相互制約，追求低插入損耗時(shí)可能會(huì)降低其隔離度，所以我們需要根據(jù)我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)去衡量取舍，達(dá)到要求的指標(biāo)，讓開(kāi)關(guān)整體的性能達(dá)到“最優(yōu)”，這也是本文重點(diǎn)需要研究的點(diǎn)。1.3.1插入損耗插入損耗（IL，InsertionLoss）是指?jìng)鬏斁W(wǎng)絡(luò)中插入元器件而產(chǎn)生的負(fù)載功率消耗，越小越好。在開(kāi)關(guān)電路中，如果開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通工作狀態(tài)，那么信號(hào)流經(jīng)開(kāi)關(guān)這一導(dǎo)通支路時(shí)所產(chǎn)生的功率消耗就是插入損耗。在開(kāi)關(guān)電路中插入消耗主要由于晶體管產(chǎn)生。其計(jì)算如式（1.1）所示：IL(1.SEQ式\*ARABIC1)1.3.2隔離度 FET管在不同的偏壓情況下處于不同的工作狀態(tài)，而所呈現(xiàn)的源極與襯底，漏極與源極，漏極與襯底之間的寄生效應(yīng)也是不同的。但是當(dāng)大功率射頻信號(hào)流經(jīng)某一支路時(shí)，過(guò)大的電壓擺幅會(huì)將原本處于關(guān)閉狀態(tài)的晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)致一條支路上的信號(hào)會(huì)泄露到另一條支路上，因此隔離度（ISO,Isolation）可以表示為當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，輸入端口泄露到輸出端口的信號(hào)功率與輸入功率之間的差值，即輸入端與輸出端之間的信號(hào)衰減度，是衡量開(kāi)關(guān)截止有效性的重要指標(biāo)。可以用開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)的S21參數(shù)來(lái)衡量。1.3.3回波損耗回波損耗（RL，ReturnLoss）又名反射損耗，顧名思義就是有多少能量被反射到信號(hào)的源端，回波損耗越低就代表能量的利用率越高，可用S11、S22分別表示輸入回波損耗和輸出回波損耗。在開(kāi)關(guān)電路中，可用其衡量端口阻抗匹配程度。如果輸出阻抗與負(fù)載未匹配，大量信號(hào)就會(huì)反射回輸入端，回波損耗大，傳輸效率降低。反射系數(shù)Γ是反射波和入射波電壓之比，公式如下：Γ=(1.SEQ式\*ARABIC2)其中Z0是電路的特征阻抗，Z回波損耗是反射波和入射波的功率之比，公式如下：RL=?20(1.SEQ式\*ARABIC3)有時(shí)候我們也會(huì)用輸入，輸出的駐波比（VSWR