基于SISL的过渡结构及开关研究与设计

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随着毫米波通信技术的发展,射频收发系统对传输线的性能提出了越来越高要求。传统平面电路如微带线和带线等由于结构的限制,其电磁场主要分布在介质中,在毫米波频段传输损耗较大且色散现象严重。介质集成悬置线(SISL)是一种基于传统波导悬置线和多层印制电路板堆叠技术提出的新型传输线,它既能够保留波导悬置线低损耗、高品质因数的特性,又能够解决限制波导悬置线应用的体积较大、整体质量重、不易集成、加工成本高等缺点。因此,基于介质集成悬置线平台设计的电路有广泛的前景,目前已有低噪放、功率放大器、压控振荡器等有源电路以及高增益天线、低损耗多工器、耦合器等无源电路证实了介质集成悬置线优异的特性。  为了解决介质集成悬置线的测试问题,前人研究了介质集成悬置线到微带线和共面波导的过渡结构,但其频率由于微带线和共面波导传输线特性的影响,仅能覆盖微波频段,而在毫米波频段,常使用低损耗、高Q值、功率容量大的矩形波导作为测试仪器的输入输出端口,因此本文设计了Ka波段、V波段和E波段三个毫米波频段的介质集成悬置线到矩形波导的过渡结构。其中,Ka波段过渡结构测试结果在24.6-38.5GHz内,即在44%的相对带宽内,回波损耗基本优于15dB,单个过渡结构插入损耗小于0.34dB。V波段背靠背过渡结构在48-75GHz的44%相对带宽内,仿真回波损耗优于18dB,插入损耗小于0.57dB(包括中间18.6mm SISL传输线)。E波段过渡结构是一个所有电路层均为低成本FR4的极低成本过渡结构,该过渡结构采用了介质挖除、双层金属走线和双排交错金属通孔技术分别从介质损耗、金属损耗和辐射损耗三个方面降低损耗。通过仿真结果可知,在60-95GHz内,即在45.2%的相对带宽内,采用上述措施,整个背靠背低成本过渡电路的插入损耗从2.45dB降低到了1.7dB,整体损耗降低了30.6%。由此可见,上述三种措施对降低过渡结构的损耗具有显著的效果。  随后,本文利用介质集成悬置线平台损耗低、易集成的特性,设计了基于PIN二极管的24GHz SPST开关电路。该开关电路采用四级并联PIN二极管级联的拓扑结构,利用短路枝节与PIN二极管的寄生电抗串联谐振抵消的寄生电感,提高开关电路的隔离度。同时利用双层金属走线和介质挖除技术降低损耗,通过仿真对比,开关电路的导通插入损耗降低了25%。最终开关电路导通情况的插入损耗小于1.25dB,回波损耗优于15dB,关断状态的隔离度大于30dB。  最后,本文基于SP4T成品开关芯片设计了24GHz SP4T开关电路,导通状态时每一个路测试插入损耗约为3dB,其中SISL外围电路引入的插入损耗约为0.2dB,关断状态时每一路的隔离度均大于30dB。  本文基于介质集成悬置线平台,设计了三个相对带宽大于44%的超宽带SISL到矩形波导的过渡结构和24GHz低损耗开关电路,开关电路和过渡结构基于SISL的特性,具有低损耗、体积小、重量轻、和集成度高的优势。
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