单刀多掷开关是微波系统中控制电路的重要部件，控制微波信号的选频转换，主要应用于电子对抗、相控阵雷达、微波通信及微波测量等领域。

开关电路从原理上分为吸收式和反射式两种结构^[1]。反射式开关具有导通状态损耗小的特点，但关断状态下，具有反射系数大的缺点；而吸收式开关具有在关断状态下反射系数小的特点，因而可以保障系统稳定性，提高系统可靠性，在许多情况下反射式开关无法替代，但吸收式开关以牺牲损耗及带宽为代价。在雷达及通信等系统中常需要隔离度高，功率容量较大的单刀多掷开关电路，且随着雷达和通信系统的发展及对系统性能指标要求越来越苛刻，在关断状态下，输出端反射信号大，将严重影响系统性能。从工程应用的角度，吸收式开关在关断状态可以降低系统的级间牵引，而该特点对系统设计师具有强烈的吸引力。

开关电路有单片集成(MMIC)和混合集成两种工艺制作方式。单片集成的芯片开关电路具有导通状态损耗小、带宽宽的优点，但隔离度小，功率容量小^{[2, 3, 4, 5, 6]}；目前有高功率的开关芯片^{[7, 8, 9, 10]}，但隔离度很难大于50 dB。混合集成开关电路具有隔离度高、功率容量大的优点，但导通状态损耗较大，带宽有限，尽管如此，单刀多掷的混合集成开关电路在某些雷达及通信系统中难以取代。

文献[11]研制了1～18 GHz单刀五掷(SP5T)吸收式开关电路，采用混合集成电路工艺，实现了插入损耗小于3.5 dB，隔离度大于60 dB，输入端和输出端的驻波系数小于2.3；文献[12]设计出单刀五掷(SP5T)吸收式开关电路，该开关在1～18 GHz内插入损耗小于3.5 dB，驻波系数小于2.2，隔离度大于60 dB；文献[13]设计的宽带高隔离度单刀四掷(SP4T)PIN吸收式开关电路，在50～40 GHz内插入损耗小于6.8 dB，输入端和输出端的驻波系数小于2，隔离度大于100 dB。以上3种吸收式单刀多掷(SPMT)开关的吸收电路均采用串-并式结构，即吸收电阻与二极管并联后串联在输出端最后一只并联的二极管后面。文献[14]采用异质结砷化镓PIN二极管制作了反射式单刀八掷(SP8T)开关电路，该电路采用一个单刀双掷和2个单刀四掷相结合构成一个全串联的MMIC SP8T开关电路。在0.05～40 GHz频率范围内，开关损耗小于2 dB，隔离度大于30 dB。MMIC的开关其插入损耗小，带宽宽，但隔离度小。文献[15]吸收式SP8T开关电路Model F9180W的指标，在12.4～18 GHz频率范围内导通损耗为4.4 dB，驻波系数为2.0，隔离度为55 dB；文献[16]发布的吸收式SP8T开关电路指标，在12～18 GHz频率范围内导通损耗4.3 dB，驻波系数1.8，隔离度60 dB。

根据开关电路理论^[1]，随着开关支路增加及工作频率提高，其导通状态下的损耗将会增加，加之采用吸收式的结构，单刀多掷开关的损耗更严重。

本文针对在高隔离状态输出端反射系数小及导通状态下损耗尽可能小，SP8T开关电路采用混合集成电路工艺，设计出14～18 GHz具有吸收反射信号功能的并-串式吸收型SP8T开关电路。该电路将吸收电阻嵌入基片下的底板内，SP8T开关电路在满足高隔离状态下，不仅在关断支路中输入、输出端的反射系数较小，且在导通支路中损耗及输出端的反射系数也较小，比文献[11, 12, 13, 14, 15, 16]的吸收电阻安装结构的电路具有较大的优势。

根据二极管在电路中的安装形式不同，开关可分为全串型、全并型及串-并型结构^{[1, 14]}，文献[14]定量描述了3种类型开关的特点。折中开关的损耗、隔离度及带宽的指标，在宽带及微波频率较高的多掷开关电路，尤其是混合集成电路工艺，常采用串-并型结构。其工作原理是利用PIN二极管在不同偏置下的通断特性，实现开关支路的导通或关断状态。在开关电路关断状态下，按反射信号的大小又分反射式和吸收式两种^[1]。反射式开关指电路在关断状态下，信号被全部反射，输出端的驻波系数大，但导通状态下，损耗小；而吸收式开关指电路在关断状态下，反射信号被电路中某些器件部分吸收，输出端的驻波系数较小，但导通状态下，损耗略有增加，且随着频率提高和开关支路的增加，损耗更严重。

吸收式开关根据吸收电路的结构又分串-并式吸收和并-串式吸收。串-并式吸收^{[11, 12, 13]}电路是指二极管与吸收电阻并联后串在电路的输出端，如图 1所示，该结构的带宽较宽，开关速度快，安装实现较方便，但损耗较大，且关断状态下，输出端驻波系数较大；而并-串式吸收电路是二极管与吸收电阻串联后并在电路的输出端，如图 1所示，带宽较窄，但损耗较小，且关断状态下，输出端驻波系数较小。

图1

图1 并-串吸收式SP8T开关拓扑图

针对工作频率在14～18 GHz，隔离度≥60 dB的吸收式SP8T开关电路，本文输入端采用串-并式单刀多掷开关，输出端采用并-串吸收式电路结构，如图 2所示，输出端吸收电阻R与二极管芯D₄串联后再并联在其他两只二极管芯D₂，D₃之后。D₃与D₄管间距理论为$s = \frac{1}{4}\lambda {\rm{g}}$，在一定频率范围内实现支路隔离状态下输出端近似匹配。

图2

图2 并-串嵌入(embed)吸收式开关电路结构

并-串吸收式电路在传统工艺上采用如图 3吸收电阻表面(surface)安装结构，适用于较低工作频率开关电路，安装简单、方便。随着工作频率的提高，安装在微带电路表面的元器件的物理尺寸不可忽略，表面吸收电阻的寄生参数，导致直通状态下传输信号损耗增加；同时对关断状态下反射信号的吸收效果不理想，从而影响关断支路的驻波系数。

图3

图3 并-串表面(surface)吸收式开关俯视图

为了减小恶化程度，本文提出了图 2所示的并-串嵌入(embed)式安装结构，将吸收电阻嵌入基片下的金属底板内部，即在金属底板上铣一圆槽，电阻一端电极烧结在圆槽底部，二极管则烧结在电阻的另一端电极上，该结构将减小对表面波的影响，因此对频率较高的吸收式开关电路导通状态下的损耗改善明显，同时也改善了关断支路输出端的驻波系数。

SP8T电路仿真模型如图 4a，基片材料ε_r=2.22，厚度0.127 mm，选用其型号为MA4AGS912的梁式PIN二极管串联安装在输入端的公共端与各支路之间；型号为MA4P165的PIN二极管芯并联安装在支路的金属腔底座上；采用高、低阻抗传输线，优化设计输入端的阻抗匹配网络；各支路均采用腔体开槽方法，通过优化槽的尺寸，在所需要的工作频率内抑制TE₁₀波导模式出现，同时减小各支路间的辐射，提高各支路间的隔离度。

图4

图4 吸收式 SP8T开关电路图

对以上两种吸收电阻的安装结构形式(如图 4b所示)进行仿真。图 5为各支路的S参数仿真曲线，图 5a～图 5d仿真结果显示，吸收电阻embed比surface安装结构在导通状态下，损耗、输出端的驻波系数及关断状态下输入、输出端的驻波系数均具有较小的优势；J₂～J₇支路的隔离度差别不大，J₂～J₈支路的驻波系数差别也不大，如图 5e及图 5f所示。

图5

图5 吸收端电阻surface及embed安装仿真曲线比较

比较以上两种结构的优化仿真曲线，可见embed吸收式开关电路，不仅在高隔离状态下具有输入、输出端反射系数小，相对带宽较宽；且在导通状态下，具有损耗小，输出端反射系数小的优点。

本文采用embed吸收式SP8T开关电路结构，利用HFSS软件优化仿真及微波混合集成电路工艺，设计一款在14～18 GHz频率范围内的SP8T吸收式开关电路。其导通状态下测试曲线如图 6a所示，损耗小于3.9 dB，输出端回波损耗大于10dB(V_SWR≤ 1.92:1)；关断状态下测试曲线如图 8b所示，隔离度大于60 dB，输入和输出端回波损耗大于12 dB (V_SWR≤1.66:1)。

图6

图6 吸收式SP8T开关测试曲线

比较图 5及图 6，测试结果与仿真曲线略有差异，其原因是仿真模型没有考虑输入、输出接头及偏置回路的影响；仿真时难获取高精度的二极管模型，仅采用近似模型；电感线圈感应值的精度等影响。在实际的电路中，偏置回路对开关的性能影响也非常重要^[17]。如图 2所示，偏置回路由隔直电容C₁、射频扼流电感L₂及射频旁路电容C₂构成，既要减小射频信号在此损失，又不影响电路的开关时间，故采用金丝绕制电感及芯片电容，经过优化设计偏置回路，获得较理想的测试效果，实物如图 7所示。

图7

图7 吸收式SP8T开关实物图

本文利用HFSS软件，优化设计SP8T开关电路的输入、输出匹配电路及各管之间的间距，同时仿真了两种吸收结构的SP8T开关电路，根据仿真结果，采用混合集成电路工艺，加工了其吸收效果较好的embed吸收式开关电路。从测试结果显示，直通下的损耗、关断下输出端驻波系数较文献[15, 16]均有较大改善。

由于混合集成电路工艺的特点，各路的焊接金丝尺寸一致性较难控制，加之各路微波路径的不同，各路之间损耗略有±0.2 dB差异，回波损耗略有±1 dB差异。

本文提出的embed吸收式结构还可以应用于吸收式衰减器和吸收式限幅器等电路中。改善吸收电路导通下损耗指标，对提高雷达及通信等系统性能具有重要工程应用价值。