第四章 可切換主波束之扇形單一導體帶狀洩漏波天線陣列
4.3 射頻開關
4.3.1 射頻開關介紹
射頻開關（Switch），在許多系統上均有廣泛應用，它是一種半導體控制電 路，用來控制能量流向。射頻開關電路形式主要有兩種，PIN 二極體及砷化鎵
（GaAs ,Gallium arsenide）微波單晶積體電路（MMIC ,microwave monolithic
integrate circuits），其中PIN二極體射頻開關一般用於低功率、高速率、和高可
靠度；而砷化鎵通常可用在更高的工作頻率範圍、更快的切換速度。而應用於微 波系統的開關有數種類型，圖 4-9 是本論文中所使用的類型:單刀四擲開關
（single-pole four -throw,SP4T）。
圖4-9: 單刀四擲射頻開關(a)符號圖與(b)方塊圖
本文中射頻開關使用HEXAWAVE中型號HWS451的IC，如圖4-10，為一
砷化鎵SP4T切換器（GaAs SP4T switch），操作頻率範圍從DC至6GHz，RFC
為射頻訊號輸入端，RF1、RF2、RF3、RF4為射頻輸出端，VC1、VC2、VC3、 VC4 則為直流偏壓，其邏輯值可控制射頻訊號流向，CA為8pF 之旁路電容 (by-pass capacitors)，CB為8pF之直流阻絕電容(DC blocking capacitors)。
CB
圖4-11 為此射頻開關之尺寸大小規格，整個封裝後大小約為3x3mm，表4-1為 此SP4T射頻開關之邏輯表，可依據此邏輯表偏壓，控制訊號的流向。
圖4-9:單刀四擲射頻切換器(a)符號與(b)方塊圖
圖4-11: HWS451砷化鎵SP4T切換器外型規格圖
1
VC VC 2 VC3 VC 4 RFC RF− 1 RFC RF− 2 RFC RF− 3 RFC RF− 4
1 0 0 0
Insertion
Loss Isolation Isolation Isolation
0 1 0 0
Isolation Insertion
Loss Isolation Isolation
0 0 1 0
Isolation Isolation Insertion
Loss Isolation
0 0 0 1
Isolation Isolation Isolation Insertion
Loss
“1”= +3V to +5V ： “0”= 0V to +0.2V
表4-1: HWS451砷化鎵SP4T切換器之邏輯表
4.3.2 射頻開關實作與量測結果
實作 SP4T 射頻開關，吾人選用之板裁為 Rogers RO4003，板裁介電係數 (Substrate dielectric constant)為3.55，厚度為0.508mm，介質損耗角正切(Substrate loss tangent)為0.0027，採用CBCPW(Conductor Backed Coplanar Waveguide)作電 路佈局，圖4-12為電路實作圖，上下兩條共四條電線外接直流偏壓(bias)可控制 輸出訊號流向，中間為HWS451之砷化鎵ＳＰ4Ｔ射頻開關，欲量測的部分包含 反射損耗(Return Loss)、介入損耗（Insertion Loss）與隔離度（Isolation）。偏壓 方式如表4-1所示，反射損耗的考量是在於射頻訊號能量是否完全的傳入切換器 不被反射訊號影響輸入端，介入損耗的考量是對於射頻訊號通過的諧波衰減度，
而隔離度的考量是檢查當射頻訊號傳送到某一組天線輸入端時，是否避免了另一 組天線輸入端受到干擾。
圖4-12: SP4T射頻開關實作圖
射頻開關量測結果，從圖4-13所示，其中(a)表示在邏輯VC1=1、VC2=0、
VC3=0、VC4=0即RFC⇒RF1情況下的反射損耗、介入損耗與隔離度，依此類
推；(b)、(c)、(d)表示在RFC⇒RF2
、
RFC⇒RF3、
RFC⇒RF4情況下的反 射損耗、介入損耗與隔離度。圖 4-14 顯示出四個輸出端在所設計頻段(5GHz -6GHz)之間的介入損耗，圖 4-15 為切換 RF1 輸出時其他三個輸出端的隔離度，
切換其他輸出時曲線亦大致相同，故不贅述。
(a) (b)
(c) (d)
圖4-13: SP4T射頻開關切換不同輸出(a)RFC⇒RF1 (b)RFC⇒RF2 (c)RFC⇒RF3 (d)RFC⇒RF4之量測S參數圖
圖4-14: SP4T射頻開關分別切換至四輸出之介入損耗量測圖
圖4-15: SP4T射頻開關切換RF1時其他三輸出的隔離度量測圖
由上述圖表可看出，射頻開關切換四輸出時，其反射損耗(S11)於 IC 可操作
的頻率DC ~ 6GHz下均在-10dB以下，且在5GHz-6GHz之間均在-15dB以下，
可見能量有確實的傳入切換器。而由圖 4-14 則能看出開關切換至各輸出時的介 入損耗，於5GHz ~ 6GHz之間大約在-1.53dB ~ -1.85dB，相對於原廠資料表中大
約降了0.4dB，稍嫌偏低，導致如此結果其原因可能為線路處理的不夠理想或需
要在縮小電路以降低損耗的出現。最後，圖4-15 為 SP4T射頻開關切換RF1 時 其他三輸出的隔離度，由圖可見其他三個輸出所接收到的能量在所能操作的頻率
DC ~ 6GHz下均在-20dB以下，與原廠資料表的數據相差無幾，可見各輸出端之
間訊號並不會造成干擾的現象。