基于HFSS的低频大功率信号开关的小型化设计
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摘要：针对现有低频段大功率同轴线缆开关设计常导致设备体积庞大的问题，在分析四分之一波长线缆在大功率开关中作用原理的基础上，提出了一种采用腔体结构，利用全耦合双平行电感线圈做移相器等效替换四分之一波长线的大功率开关设计方法，该方法利用印制板做支撑材料，用微带线做电感线圈，并通过hfss仿真确定其结构参数。仿真和实测证明，通过该方法设计出的开关具备承载功率大和体积小等优点。
关键词：低频；大功率；四分之一波长线；全耦合平行线；HFSS
中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0184-02
1 引言
大功率开关设备多应用于一些大功率半双工的无线通信系统中，用同一面天线实现系统发送和接收的分时工作。由于要承受信号的高电压或大电流，大功率开关在设计中一般采用四分之一波长的同轴线缆作为关键器件。频段越低，波长越长，对于工作在几十兆频段的系统，四分之一波长的同轴线也有几米的长度，这就导致开关甚至系统成本高、体积大，不便于搬运和维护。因此大功率开关设计小型化成为了很多低频段无线通信系统的急切需求。
2 开关设计原理
四分之一波长线的阻抗低损耗近似公式为，其中Z0w为特性阻抗，ZL为负载阻抗，α为衰减常数，l为导线长度，即四分之一波长。ZL为0时，
由于α很小，Z趋于∞。ZL为∞时，Z≈Z0αl，Z趋于为0。因此对于频率为f0的信号，四分之一波长线具有一个重要的特性，即若令其两端分别为端口1和端口2，当端口2对地短路时，四分之一波长线从端口1到端口2对于f0信号的阻抗为无穷大；端口2对地开路时，四分之一波长线从端口1到端口2对于f0信号的阻抗近似为0。利用这一特性即可实现三端口电路的选择导通。其原理如图1所示。
当控制端施加正电压时，二极管D1和D2导通，功放端到天线端阻抗近似为0，功放端到接受端阻抗为无穷大，系统处于发送状态；当控制端施加负电压时，二极管D1和D2截止，功放端到天线端阻抗为无穷大，天线端到接受端阻抗近似为0，系统处于接收状态。
3 小型化设计关键技术
实现大功率开关小型化设计需要解决两个关键问题：寻找等效替换电路模型和选择实现结构。
3.1 等效替换电路
四分之一波长线等效于一个90度移相器，理想移相器可用LC电路来实现，本文选用全耦合平行电感线圈来实现90度移相器的功能，其实现电路简单，如图2所示。根据信号工作频率，应用Ansoft Designer软件可以确定需要的电感、电容的值，进而只需用两个电感和一个电容组合就能起到四分之一波长同轴线的功效。例如，当两电感线圈电感值为L1=L2=88.38nH，电容值C=141.4pF时，该耦合线圈相对于45MHz的信号来说是一个90度移相器。图3为耦合电感线圈移相效果仿真图。
3.2 结构设计
为便于应用HFSS仿真从而提高设计精度，本文采用了一种腔体结构，腔内是用4块刻有平行镀银导线的印制板焊接而成的长方形立柱，4块印制板上的导线首尾相接，构成了两个全耦合平行电感线圈。利用HFSS软件，可通过调整导线线径、线间距、印制板材质、尺寸等得到不同的线圈端口参数，优化设计后即可最终确定腔体以及印制板的结构尺寸。
4 仿真与测试结果分析
4.1 设计要求
中心频率为50MHz，在45MHz到55MHz的通频带内，接收通道插损小于0.5dB，功放端口与接收端口隔离度不低于60dB，可承受信号最大发送功率为200W。
4.2 设计步骤
首先，确定电路结构。接收通道采用两个端口阻抗为50欧姆的全耦合平行线圈串联结构以增加功放端口和接收端口的隔离度，控制端和D1之间也插入两个端口阻抗为270欧姆的平行耦合线圈串联结构，以抑制信号对控制电路的串扰。如图4所示。
其次，通过电路仿真确定各器件参数。
然后，在HFSS中建立三维立体的结构图，如图5所示。
最后对开关整体进行仿真，仿真结果如图6所示。上曲线为接收通道S21曲线图，下曲线为功放端口和接收端口S11曲线图。在45MHz到55MHz通频带宽内，插入损耗和端口隔离度均满足设计指标要求。
实测结果分析。按该设计方法加工完成后，开关盒体长101mm，宽66mm，厚32mm，实现了小型化设计，接收通道插入损耗最大为0.3dB，功放端口隔离度最小为61dB，可在发射功率为200W条件下长时间正常工作，实物与仿真结果略有差别，但满足设计要求。
5 结语
利用全耦合平行电感线圈代替四分之一波长线并结合HFSS仿真进行低频段开关设计的方法是可行的，而且随着3D打印技术的发展和新材料的不断问世，线圈的耐热性和加工精度将得到大大地提高，该大功率开关的小型化设计方法必将得到更广泛的应用和发展。