第7章 PIN管微波控制電路

第7章PIN管微波控制電路7.1

PIN管微波開關(guān)7.2

PIN管電調(diào)衰減器和限幅器7.3

PIN管數(shù)字移相器(調(diào)相器)習(xí)題微波控制電路的功能包括控制微波信號(hào)傳輸路徑的通斷或轉(zhuǎn)換(微波開關(guān)、脈沖調(diào)制器)、控制微波信號(hào)的大小(幅度調(diào)制、電調(diào)衰減器、限幅器)及相位(數(shù)字移相器、調(diào)相器)等。這些電路廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、微波通信、衛(wèi)星通信及微波測(cè)量技術(shù)等系統(tǒng)中。

微波控制電路分它控和自控兩種。它控由外加控制功率來改變微波控制器件的工作狀態(tài)，從而改變電路的參量，如電控衰減器、數(shù)字移相器等。自控由微波功率本身的大小來改變微波控制器件的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制，如微波限幅器。

利用PIN管作為控制器件，優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，控制快，正反短路、開路特性好，微波損耗小，而且可由小的直流功率控制大的微波功率，因此用得較多，在高功率微波控制電路中宜采用PIN管。近年來，也將場(chǎng)效應(yīng)管用于微波控制電路，它適于單片集成。

本章介紹PIN管微波開關(guān)、衰減器、限幅器和移相器電路的工作原理、性能指標(biāo)及其對(duì)設(shè)計(jì)的基本要求。2.4.4

PIN二極管

PIN二極管廣泛應(yīng)用于微波控制電路，具有體積小、質(zhì)量輕、控制快、損耗小、控制功率大等優(yōu)點(diǎn)，適用于微波開關(guān)、限幅器、可變衰減器、移相器等電路。

1.結(jié)構(gòu)

PIN二極管是在重?fù)诫s的P+和N+區(qū)之間加入一個(gè)未摻雜的本征層I層構(gòu)成的，實(shí)際上不可能真正實(shí)現(xiàn)I層，只能使雜質(zhì)含量足夠低，如果中間層是低摻雜的P型半導(dǎo)體，稱為PπN管；如果中間層是低摻雜的N型半導(dǎo)體，稱為PνN管。1.結(jié)構(gòu)圖2-44

PIN管管芯結(jié)構(gòu)(a)平面型結(jié)構(gòu)；(b)臺(tái)式型結(jié)構(gòu)

PIN二極管是在重?fù)诫s的P+和N+區(qū)之間加入一個(gè)未摻雜的本征層I層構(gòu)成的，實(shí)際上不可能真正實(shí)現(xiàn)I層，只能使雜質(zhì)含量足夠低，如果中間層是低摻雜的P型半導(dǎo)體，稱為PπN管；如果中間層是低摻雜的N型半導(dǎo)體，稱為PνN管。1.結(jié)構(gòu)圖2-44

PIN管管芯結(jié)構(gòu)(a)平面型結(jié)構(gòu)；(b)臺(tái)式型結(jié)構(gòu)

如圖2-44所示，PIN管有平面型和臺(tái)式型兩種結(jié)構(gòu)。一般有兩種工藝方法制造PIN管：一種是利用一塊未摻雜的單晶硅基片在兩邊擴(kuò)散高濃度的硼和磷，分別形成P+和N+區(qū)，再蒸發(fā)上金屬作為電極，最后光刻腐蝕成臺(tái)式管芯，并以二氧化硅低溫鈍化保護(hù)管芯；另一種是在一塊N型高摻雜的單晶片上外延一層I層，再在其上擴(kuò)散一層P+材料形成PIN管芯。1.結(jié)構(gòu)圖2-44

PIN管管芯結(jié)構(gòu)(a)平面型結(jié)構(gòu)；(b)臺(tái)式型結(jié)構(gòu)

PIN管的封裝形式與其他微波二極管類似，如雙柱型、螺紋管座型、彈丸型、帶狀線型、微帶線型及梁式引線型等，它們的封裝參量不同，承受的功率容量也不同。圖2-45實(shí)際PIN管和反向穿通特性正偏下---PIN二極管加正向電壓時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多子會(huì)注入到I區(qū)，并在I區(qū)復(fù)合。當(dāng)注入載流子和復(fù)合載流子相等時(shí)，電流I達(dá)到平衡狀態(tài)。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當(dāng)PIN二極管正向偏置時(shí)，呈低阻特性。正向偏壓越大，注入I層的電流就越大，I層載流子越多，使得其電阻越小。所以，正偏時(shí)等效為一個(gè)很小的電阻，阻值在0.1Ω和10Ω之間。圖2-45實(shí)際PIN管和反向穿通特性零偏下---當(dāng)PIN二極管兩端不加電壓時(shí)，由于實(shí)際的I層含有少量的P型雜質(zhì)，所以在IN交界面處，I區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向I區(qū)擴(kuò)散，然后形成空間電荷區(qū)。由于I區(qū)雜質(zhì)濃度相比N區(qū)很低，多以耗盡區(qū)幾乎全部在I區(qū)內(nèi)。在PI交界面，由于存在濃度差（P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I區(qū)），也會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但是其影響相對(duì)于IN交界面小的多，可以忽略不計(jì)。所以當(dāng)零偏時(shí)，I區(qū)由于存在耗盡區(qū)而使得PIN二極管呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。圖2-45實(shí)際PIN管和反向穿通特性反偏下---反偏情況跟零偏時(shí)很類似，所不同的是內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)得到加強(qiáng)，其效果是使IN結(jié)的空間電荷區(qū)變寬，且主要是向I區(qū)擴(kuò)展。此時(shí)的PIN二極管可以等效為電阻加電容，其電阻是剩下的本征區(qū)電阻，而電容是耗盡區(qū)的勢(shì)壘電容。圖4是反偏下PIN二極管的等效電路圖，可以看出電阻范圍在1Ω到100Ω之間，電容范圍在0.1pF到10pF之間。當(dāng)反向偏壓過大，使得耗盡區(qū)充滿整個(gè)I區(qū)，此時(shí)會(huì)發(fā)生I區(qū)穿通，此時(shí)PIN管不能正常工作了。圖2-45實(shí)際PIN管和反向穿通特性微波特性---①微波信號(hào)在正半周時(shí)，加在PIN管上的總偏壓處于正向狀態(tài)，這時(shí)PIN管是導(dǎo)通和低阻的，微波電流將流過PIN管。微波電流也向I層注入電荷。圖2-45實(shí)際PIN管和反向穿通特性微波特性---②微波信號(hào)在負(fù)半周時(shí)，由于微波信號(hào)幅值很大，PIN管上的總偏壓處反向狀態(tài)。反向電場(chǎng)從I層中抽出注入的電荷，能夠抽出的電荷數(shù)目為Q2。微波信號(hào)在負(fù)半周期間被抽出的電荷僅為直流正向偏置的1／20，I層仍然儲(chǔ)存有大量的注入電荷，處于導(dǎo)電狀態(tài)，呈現(xiàn)低阻，因此PIN管還是導(dǎo)通的。

2.特性

PIN管的I層厚度一般在幾個(gè)到幾百個(gè)微米之間，可以看做雙結(jié)二極管，下面以理想PIN管為例介紹其特性。

1)直流與低頻特性

(1)零偏壓。

P層的空穴和N層的電子分別向I層擴(kuò)散，在I層由于復(fù)合作用而消失。同時(shí)，在P層和N層靠近I層的邊界，建立起帶負(fù)電和帶正電的空間電荷層，其電場(chǎng)阻擋空穴和電子繼續(xù)向I層注入。因此，I層保持本征不導(dǎo)電狀態(tài)，PIN管不導(dǎo)通，處于高阻狀態(tài)。

(2)正向偏壓。

外加電場(chǎng)方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反，空間電荷層變薄，P層和N層的空穴和電子向I層注入，并在I層中因復(fù)合而消失。由于外加正向偏壓的存在，兩種載流子源源不斷地向I層注入，使在I層因復(fù)合而消失的電荷得到補(bǔ)充。I層存在大量數(shù)量相等而極性相反的載流子，呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)。宏觀上電流不斷地流過PIN管，PIN管呈現(xiàn)低阻。外加電壓越大，正向電流也越大，電阻降低。正向電流近似等于復(fù)合電流，即(2-75)式中：I0為外加偏置電流；τ為I層載流子的平均壽命；Q0為I層電荷。載流子的平均壽命與I層的材料、雜質(zhì)濃度和工藝有關(guān)，硅材料PIN管的典型τ值為0.1～10.0μs。式(2-75)可用于計(jì)算I層電荷量。

例如：τ=5μs，直流偏置電流為I0=100mA，則有

Q0=100×10－3×5×10－6=5×10－7C

(2-76)

(3)反向偏壓。外加電場(chǎng)方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相同時(shí)，空間電荷層將變寬，不導(dǎo)電程度比零偏壓更甚。如果偏壓是低頻的交變電壓，則只要滿足交變電壓周期T>>τ，I層的導(dǎo)電狀態(tài)就完全能夠跟隨信號(hào)的周期變化：正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止。在直流和低頻偏壓下，PIN管同樣具有整流特性，與PN結(jié)變?nèi)莨芟嗤?。由于在P層和N層之間插入了I層，耗盡層加寬，因此PIN管具有更小的結(jié)電容，并能承受更高的反向擊穿電壓和更大的功率；在反偏壓達(dá)到一定程度時(shí)，I層完全處于耗盡狀態(tài)，結(jié)電容相當(dāng)于以P+和N+層為極板的平板電容，由于極板間距不隨反偏壓增大而再增大，PIN管可看做是一個(gè)恒定電容器件。這是PIN管與PN結(jié)變?nèi)莨艿谋举|(zhì)區(qū)別。

2)微波特性

在直流(或低頻)電壓與微波電壓共同作用下，PIN管特性將發(fā)生顯著的改變。由于微波信號(hào)周期Tw<<τ，PIN管I層的導(dǎo)電狀態(tài)來不及跟隨微波信號(hào)變化。

(1)直流(或低頻)正向偏壓。參見式(2-76)，先加直流正向偏置電流I0=100mA，則I層儲(chǔ)存的電荷為Q0=5×10－7C。

增加一個(gè)大幅值微波信號(hào)，微波電流為I1=50A，現(xiàn)象如下：

①微波信號(hào)在正半周時(shí)，加在PIN管上的總偏壓處于正向狀態(tài)，這時(shí)PIN管是導(dǎo)通和低阻的，微波電流將流過PIN管。微波電流也向I層注入電荷。設(shè)微波信號(hào)的頻率為

f=1000MHz，對(duì)應(yīng)周期為Tw=10－9s，則微波正半周注入的電荷Q1為

②微波信號(hào)在負(fù)半周時(shí)，由于微波信號(hào)幅值很大，PIN管上的總偏壓處反向狀態(tài)。反向電場(chǎng)從I層中抽出注入的電荷，能夠抽出的電荷數(shù)目為Q2。假定處于反偏狀態(tài)的時(shí)間近似等于，則應(yīng)有

Q2=Q1=0.25×10－7C

可見，由于τ>>Tw，雖然I1>>I0，但是仍有Q0/Q2≈20，微波信號(hào)在負(fù)半周期間被抽出的電荷僅為直流正向偏置的1／20，I層仍然儲(chǔ)存有大量的注入電荷，處于導(dǎo)電狀態(tài)，呈現(xiàn)低阻，因此PIN管還是導(dǎo)通的。

(2)直流(或低頻)反向偏壓。I層沒有直流注入的電荷，微波信號(hào)正半周注入的電荷來不及導(dǎo)通，很快又全部被

負(fù)半周抽出，無論微波信號(hào)的正半周還是負(fù)半周，PIN管都不能導(dǎo)通，在整個(gè)微波信號(hào)周期內(nèi)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

綜上可知：在直流(或低頻)正向偏壓下PIN管導(dǎo)通，類似于一個(gè)線性電阻，對(duì)于微波信號(hào)正、負(fù)半周都是導(dǎo)通的；在直流(或低頻)反向偏壓下，對(duì)于微波信號(hào)正、負(fù)半周都是不導(dǎo)通的。所以只需很小的直流(或低頻)控制電壓(電流)就可以控制很大的微波功率傳輸?shù)耐〝唷?/p>

3)實(shí)際PIN管特性

一般地，PIN管的I層含有N型或P型雜質(zhì)。以I層實(shí)際摻有N型雜質(zhì)的PνN管為例說明其工作過程與理想PIN管的區(qū)別。

I層含有少量N型雜質(zhì)時(shí)，就會(huì)形成P+N結(jié)。這種結(jié)的空間電荷層厚度取決于I層內(nèi)的空間電荷層厚度。如圖2-45所示，在零偏壓下，空間電荷層厚度小于I層厚度；在反向偏壓下，空間電荷層的范圍將擴(kuò)大，且在某一反偏壓UPT時(shí)，擴(kuò)大到整個(gè)I層，I層中所有的N型載流子被清除，I層呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。UPT稱為穿通電壓(一般為－70～－100V)。如果PνN管在直流(或低頻)反向偏壓下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，則反向偏壓必須大于穿通電壓UPT，而不像理想PIN管那樣僅需很小的反偏壓。這就是實(shí)際微波控制電路中必須要有PIN管驅(qū)動(dòng)電路把TTL控制信號(hào)放大為雙極性高壓脈沖的原因。

3.等效電路

PIN管的等效電路也分為正偏和反偏兩種情況，如圖2-46所示，下面分別介紹。

圖2-46

PIN管等效電路1)正偏等效電路

管芯正偏等效電路中，Rs為重?fù)诫s的P+、N+層體電阻和歐姆接觸電阻，Rj為I層電阻，Cj主要是I層電荷儲(chǔ)存效應(yīng)所引起的擴(kuò)散電容。隨著正向偏壓的增大，I層處于導(dǎo)通狀態(tài)，Rj很快減小到1Ω以下；而Cj的量級(jí)為幾皮法(pF)，即使在微波頻率下，其容抗也遠(yuǎn)大于Rj，忽略不計(jì)。圖2-46

PIN管等效電路2)反偏等效電路

反偏狀態(tài)下，I層未被穿通時(shí)，I層分為耗盡層與非耗盡層。反偏狀態(tài)時(shí)的Rj很大，可忽略不計(jì)，Cj表示耗盡層勢(shì)壘電容，其值一般小于1pF；Ri表示非耗盡層電阻，非耗盡層存在少量載流子，其值比耗盡層小，約為幾千歐姆(kΩ)；Ci表示未耗盡層介質(zhì)電容，其值也小于1pF。當(dāng)I層穿通后，非耗盡層不存在，Ri的數(shù)值變得非常大，可忽略。反向電阻近似為Rs，反向電容近似為一個(gè)不變的小電容Cj0。

3)封裝等效電路

考慮封裝效果時(shí)，必須把引線電感和管殼電容引入等效電路，如圖2-47所示。采用梁式引線結(jié)構(gòu)時(shí)，封裝參數(shù)將大為減小。圖2-47封裝PIN管的正、反向等效電路

4.驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)際工作時(shí)，必須給PIN二極管提供直流偏置，使用隔直流電容和高頻扼流圈與微波信號(hào)隔離。直流偏置端可以是脈沖信號(hào)，也可以是連續(xù)變化信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)不同的微波控制電路，如圖2-48所示。PIN管的控制信號(hào)還要進(jìn)行電壓放大，通常稱為PIN二極管驅(qū)動(dòng)電路。

圖2-49給出一種TTL邏輯信號(hào)放大電路。圖2-48

PIN二極管偏置電路結(jié)構(gòu)(a)PIN二極管的串聯(lián)；(b)PIN二極管的并聯(lián)圖2-49

TTL邏輯信號(hào)放大電路

7.1

PIN管微波開關(guān)

PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性，可用來控制電路的通斷，組成開關(guān)電路。PIN管開關(guān)電路按功能分為兩種：一種是通斷開關(guān)，如單刀單擲開關(guān)，作用只是簡(jiǎn)單地控制傳輸系統(tǒng)中微波信號(hào)的通斷；另一種是轉(zhuǎn)換開關(guān)，如單刀雙擲、單刀多擲開關(guān)，作用是使信號(hào)在兩個(gè)或多個(gè)傳輸系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換。若按PIN管與傳輸線的連接方式，可分為串聯(lián)型、

并聯(lián)型以及串／并聯(lián)型三種；從開關(guān)結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，可分為反射式開關(guān)、諧振式開關(guān)、濾波器型開關(guān)、陣列式開關(guān)等。7.1.1單刀單擲開關(guān)

1.開關(guān)的正反衰減比

圖7-1為單管串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)的原理圖及其微波等效電路。圖中ZD、YD分別為PIN管的等效阻抗和等效導(dǎo)納，Z0、Y0分別為傳輸線的特性阻抗和特性導(dǎo)納，a、b分別為網(wǎng)絡(luò)的歸一化入射波和反射波。圖7-1單刀單擲開關(guān)(a)串聯(lián)型原理圖；(b)串聯(lián)型等效電路；(c)并聯(lián)型原理圖；(d)并聯(lián)型等效電路設(shè)開關(guān)輸入端信號(hào)源的資用功率為Pa，輸出端負(fù)載吸收功率為PL，則定義開關(guān)的衰減L為

若開關(guān)網(wǎng)絡(luò)用散射S參量來表征，且假設(shè)開關(guān)插入在匹配信號(hào)源和匹配負(fù)載之間，則式(7-1)化為(7-1)(7-2)

2.基本原理

如果PIN管正、反偏時(shí)分別等效為理想短路和開路，則對(duì)圖7-1(a)的串聯(lián)型開關(guān)來說，PIN管理想短路時(shí)，開關(guān)電路理想導(dǎo)通；PIN管理想開路時(shí)，該開關(guān)電路理想斷開。對(duì)圖7-1(c)的并聯(lián)開關(guān)來說，情況相反，PIN管短路，對(duì)應(yīng)開關(guān)電路斷開；PIN管開路，對(duì)應(yīng)開關(guān)電路導(dǎo)通。

由于PIN管實(shí)際上存在有限的電抗及損耗電阻(即封裝參數(shù))，因此開關(guān)電路在導(dǎo)通時(shí)衰減不為零，稱之為插入衰減；在斷開時(shí)衰減也并非無窮大，稱之為隔離度。因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響，封裝PIN管的等效阻抗是頻率的函數(shù)，所以當(dāng)工作頻率改變時(shí)，開關(guān)的工作狀態(tài)要發(fā)生變化。對(duì)于并聯(lián)型開關(guān)，反偏時(shí)，若微波頻率恰好等于引線電感LS與結(jié)電容Cj的串聯(lián)諧振頻率，這時(shí)管子不再呈現(xiàn)高阻抗，使微波信號(hào)的傳輸產(chǎn)生很大的衰減，開關(guān)呈斷開狀態(tài)。同樣，正向偏置時(shí)，若微波信號(hào)頻率恰好等于引線電感LS與管殼電容CP的并聯(lián)諧振頻率，則管子不再呈低阻抗，對(duì)微波信號(hào)的傳輸影響很小，開關(guān)呈導(dǎo)通狀態(tài)。圖7-2(a)為考慮封裝參數(shù)后的并聯(lián)型開關(guān)的衰減特性?？梢?，并聯(lián)型開關(guān)有兩個(gè)能實(shí)現(xiàn)開關(guān)作用的區(qū)域(圖中陰影區(qū))，它們對(duì)應(yīng)有較大的衰減比。圖中模區(qū)Ⅰ稱為“正向模”區(qū)，相當(dāng)于理想的PIN管，反偏時(shí)為開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，正偏時(shí)為斷開狀態(tài)；而模區(qū)Ⅱ相反，稱為“反向模”。圖7-2(b)為串聯(lián)型開關(guān)的衰減特性，顯然它具有三個(gè)開關(guān)工作區(qū)。圖7-2考慮封裝參數(shù)后開關(guān)的衰減特性(a)并聯(lián)型開關(guān)；(b)串聯(lián)型開關(guān)由圖7-2可見，由于封裝參數(shù)的影響，對(duì)于單管開關(guān)無論是串聯(lián)型還是并聯(lián)型，都只能在固定的某幾個(gè)較窄的頻率區(qū)間有開關(guān)作用，而實(shí)際的工作頻率常常不在這些區(qū)域。為

了擴(kuò)展開關(guān)的工作模區(qū)，改善開關(guān)性能，有的直接把管芯做在微波集成電路上；也有的采用改進(jìn)的開關(guān)電路，其中常用的有諧振式開關(guān)、陣列式開關(guān)和濾波器型開關(guān)。

3.改善開關(guān)性能的電路

除了選用合適的管子外，還可以采取一些措施來改善開關(guān)的正反衰減比，下面介紹三種改進(jìn)的開關(guān)電路。

1)諧振式開關(guān)

對(duì)給定的PIN管及指定的工作頻率，外加電抗元件與寄生元件調(diào)諧，使開關(guān)在PIN管正偏、反偏兩種狀態(tài)下分別于指定頻率點(diǎn)，產(chǎn)生串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振(或反之)。這種開關(guān)電路稱為諧振式開關(guān)。圖7-3為并聯(lián)型諧振式開關(guān)的等效電路，虛線框內(nèi)表示PIN管，RD和XD分別為二極管的電阻和電抗，XS和XP為外接的調(diào)諧電抗。在PIN管反偏時(shí)調(diào)整串聯(lián)電抗XS，使它與管子反偏時(shí)的電抗量值相等，符號(hào)相反，形成串聯(lián)諧振。這時(shí)PIN管支路的阻抗很低，使開關(guān)的衰減很大，形成斷開狀態(tài)。而在PIN管正偏時(shí)調(diào)整并聯(lián)電抗XP，使它與管子支路的總電抗量值相等，符號(hào)相反，形成并聯(lián)諧振，這時(shí)開關(guān)的阻抗很高，呈導(dǎo)通狀態(tài)。這種反偏時(shí)呈斷開狀態(tài)，正偏時(shí)呈導(dǎo)通狀態(tài)的諧振式開關(guān)，又稱為“反向?！遍_關(guān)；反之，則稱為“正向?！遍_關(guān)。

以上這種諧振式開關(guān)，只有在窄頻帶內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)良好的補(bǔ)償，工作頻帶不寬，多用于窄波段范圍。圖7-3并聯(lián)型諧振式開關(guān)

2)陣列式開關(guān)

一般說來，單管開關(guān)的隔離度和帶寬都是比較小的，若要取得更高的隔離度和更寬的頻帶，就需采用幾個(gè)PIN管級(jí)聯(lián)，組成陣列式開關(guān)。

圖7-4為陣列式開關(guān)的示意圖。圖7-4(a)為并聯(lián)型，由多個(gè)PIN管按一定間距L并接于傳輸線構(gòu)成；圖7-4(b)為串聯(lián)型，由多個(gè)PIN管按一定間距L串接于傳輸線構(gòu)成。陣列式開關(guān)的分析可歸結(jié)為級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的分析，其管間的距離L由滿足最小插入衰減和最大隔度的條件求得。一般情況下兩者不能同時(shí)滿足，為此設(shè)計(jì)時(shí)必須折中選擇。圖7-4陣列式開關(guān)(a)并聯(lián)型；(b)串聯(lián)型多管陣列式開關(guān)與單管開關(guān)相比，具有隔離度高和頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是所用管子數(shù)較多，插入衰減較大，調(diào)試也較麻煩。

3)濾波器型開關(guān)

圖7-5為PIN管與低通濾波器構(gòu)成的寬頻帶型開關(guān)電路結(jié)構(gòu)示意圖。在低通濾波器的電容塊中心，打孔嵌入PIN管，使PIN管反偏時(shí)總電容C和濾波器電容塊的電容C1、C2一起與串聯(lián)電感L1、L2

、L3組成頻帶很寬、截止頻率很高的低通濾波器，如圖7-5(b)所示。這時(shí)只要信號(hào)頻率低于濾波器的截止頻率，信號(hào)功率就可以順利通過，插入衰減很小，形成開關(guān)的接通狀態(tài)。當(dāng)正向偏置時(shí)，PIN管近似短路，輸入信號(hào)幾乎全部被反射，形成開關(guān)的斷開狀態(tài)。為了增大開關(guān)的頻率范圍，常采用未加封裝的PIN管芯，利用管芯反偏時(shí)的結(jié)電容和連接管芯的引線電感組成低通濾波器，這樣可使濾波器的截止頻率升高，從而大大擴(kuò)展了開關(guān)的頻率范圍。圖7-5低通濾波器型PIN管開關(guān)(a)電路結(jié)構(gòu)；(b)等效電路7.1.2單刀多擲開關(guān)

1.單刀雙擲開關(guān)

最普通但又最常用的單刀多擲開關(guān)是單刀雙擲開關(guān)，它把信號(hào)來回?fù)Q接到兩個(gè)不同的設(shè)備上，形成交替工作的兩條微波通路。其典型例子是雷達(dá)天線收發(fā)開關(guān)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)天線，由一個(gè)單刀雙擲開關(guān)來控制。

圖7-6表示一并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)的原理圖。VD1和上VD2管分別偏置，當(dāng)VD1管導(dǎo)通時(shí)VD2管截止，或反之。并借助1／4波長(zhǎng)線的阻抗變換作用，使輸入信號(hào)全部從B或A中一個(gè)端口輸出，此端口為導(dǎo)通通道，同時(shí)另一端口為斷開通道。圖7-6并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)圖7-6的單刀雙擲開關(guān)需要有兩個(gè)偏壓源，為節(jié)省偏壓源，實(shí)際中常采用一個(gè)偏壓源控制的并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)電路(見圖7-7)。在此電路中，VD1接在一并聯(lián)的λg/4支節(jié)線上。當(dāng)VD1、VD2都處于反偏時(shí)，B路接通；當(dāng)VD1、VD2都處于正偏時(shí)，A路接通。因此可共用一個(gè)偏壓源。

圖7-8給出了共用一個(gè)偏壓源的諧振式并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)的微帶電路結(jié)構(gòu)圖。圖7-7用一個(gè)偏壓源控制的并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)圖7-8諧振式并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)微帶電路結(jié)構(gòu)圖

2.單刀N擲開關(guān)(N>2)

在一些微波系統(tǒng)中，有時(shí)需要把一個(gè)微波信號(hào)換接到多個(gè)不同設(shè)備上，形成交替工作的多條微波通道，這個(gè)功能可由一個(gè)單刀多擲開關(guān)來完成。單刀多擲開關(guān)由若干個(gè)單刀單擲開關(guān)組成，如圖7-9所示。圖中各單擲開關(guān)均為并聯(lián)型，它們互相并接于開關(guān)接頭P處，如果每只開關(guān)中的PIN管安置在離接頭參考面λg／4處，則對(duì)理想接通的通道(其PIN管阻抗為無限大)，從接頭參考面P處向終端的輸入阻抗為傳輸線的特性阻抗(設(shè)各通道終端均接匹配負(fù)載)；對(duì)理想斷開的通道(其PIN管的阻抗接近為零)，從接頭參考面P處向終端的輸入阻抗為無限大。如果在每一瞬間控制各通道的PIN管，使只有一個(gè)通道處于接通狀態(tài)，而其余N－1個(gè)通道處于斷開狀態(tài)，那么輸入端的微波信號(hào)在每一瞬間只在主接通通道的輸出端輸出，而其余N－1端無輸出。這樣，依次控制各單刀單擲開關(guān)的接通、斷開狀態(tài)，就能把輸入端的微波信號(hào)換接到各條通道中去。圖7-9單刀N擲開關(guān)原理圖7.1.3開關(guān)時(shí)間和功率容量

PIN管用作開關(guān)時(shí)，其開關(guān)時(shí)間必須滿足系統(tǒng)對(duì)開關(guān)速度的要求，為提高開關(guān)速度，應(yīng)盡量減薄I層，使儲(chǔ)存電荷減少。在這種情況下，開關(guān)時(shí)間基本上由載流子在I層的渡越時(shí)間決定，而與載流子壽命無關(guān)。但I(xiàn)層太薄，使二極管反向擊穿電壓減小，承受微波功率也減小，因此提高PIN管開關(guān)速度受限于兩項(xiàng)極限參數(shù)，下面分別加以討論。

1.開關(guān)時(shí)間

PIN管實(shí)質(zhì)上是一種電荷存儲(chǔ)器件，當(dāng)它從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)時(shí)，載流子從P+層和N+層向I層注入。當(dāng)它從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，大量載流子從I區(qū)逸出，存儲(chǔ)電荷的變化都需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間就是開關(guān)時(shí)間。開關(guān)時(shí)間既和PIN管的性能有關(guān)，又和開關(guān)的控制電流有關(guān)。由于PIN管從截止到導(dǎo)通的正向恢復(fù)時(shí)間比導(dǎo)通到截止的反向恢復(fù)時(shí)間小，因此開關(guān)時(shí)間以反向恢復(fù)時(shí)間為標(biāo)志。圖7-10表示PIN管從正偏電流I0突然轉(zhuǎn)向反偏時(shí)的情況。設(shè)正偏時(shí)I層儲(chǔ)存的電荷為Q0=I0τ，當(dāng)換成反偏時(shí)，I層儲(chǔ)存的電荷一部分被反向電流IR吸出，另外一部分則繼續(xù)復(fù)合，形成復(fù)合電流Q/τ。顯然，單位時(shí)間內(nèi)I層中電荷的減少量等于單位時(shí)間內(nèi)從I層流出的電荷量與復(fù)合電荷之和，即(7-3)圖7-10

PIN管的開關(guān)時(shí)間考慮到t=0時(shí)，Q(t)=I0τ，可解得

假設(shè)t=ts時(shí)，電荷全部清除，即Q(ts)=0，于是得到

所以(7-4)(7-5)當(dāng)IR>>I0時(shí)，開關(guān)時(shí)間可近似表示為

由式(7-6)可見，當(dāng)PIN管給定后(τ已定)，加大反向電流IR可使開關(guān)時(shí)間減少。所以應(yīng)為PIN管開關(guān)制作具有內(nèi)阻小而又能輸出大的反向偏壓的專門驅(qū)動(dòng)器。(7-6)

2.功率容量

當(dāng)PIN管導(dǎo)通時(shí)，功率容量的限制因素是最大允許的功耗Pdm，當(dāng)PIN管截止時(shí)，功率容量的限制因素是反向擊穿電壓UB。開關(guān)的功率容量是指開關(guān)所能承受的最大微波功

率，它不僅與管子的功率容量有關(guān)，還與開關(guān)電路的類型(串聯(lián)或并聯(lián))、工作狀態(tài)(連續(xù)波工作或脈沖工作)及具體結(jié)構(gòu)(散熱性能)有關(guān)。

例如，在連續(xù)波工作狀態(tài)下，單管并聯(lián)型及串聯(lián)型電路示意圖如圖7-11所示。圖7-11并聯(lián)型和串聯(lián)型開關(guān)電路(a)并聯(lián)型；(b)串聯(lián)型圖中，Rs為信源內(nèi)阻，ZL為負(fù)載，Z0為傳輸線特性阻抗，當(dāng)輸入微波信號(hào)幅度為Um時(shí)，信源資用功率為

PIN管導(dǎo)通時(shí)等效為電阻Rf，則圖7-11(a)中的管子吸收功率為(7-7)(7-8)由式(7-8)及式(7-7)，可求得Pa與Pd的關(guān)系；而Pd受限于Pdm，因此并聯(lián)型開關(guān)在PIN管導(dǎo)通時(shí)的功率容量為

同理，可求出串聯(lián)型開關(guān)在PIN管導(dǎo)通時(shí)的功率容量為(7-9)(7-10)

PIN管截止時(shí)呈現(xiàn)高阻抗(遠(yuǎn)大于Z0)，則圖7-11(a)中管子的端電壓為Um/2，受限于UB。令

因此并聯(lián)型開關(guān)在PIN管截止時(shí)的功率容量為(7-12)(7-11)同理，可求出串聯(lián)型開關(guān)在PIN管截止時(shí)的功率容量為

比較式(7-9)、式(7-12)和式(7-10)、式(7-13)，PIN管在正、反向偏壓狀態(tài)下，開關(guān)功率容量不等，而且開關(guān)電路形式不同，功率容量也會(huì)不同。對(duì)某一種電路形式，通常取其Pdm較小者。

以上是在連續(xù)波工作條件下進(jìn)行的分析。若在脈沖信號(hào)工作狀態(tài)下，則PIN管導(dǎo)通時(shí)能承受的脈沖功率比連續(xù)波狀態(tài)下要大，但開關(guān)的脈沖阻抗比較復(fù)雜，在此不予討論。(7-13)

7.2

PIN管電調(diào)衰減器和限幅器

用電信號(hào)控制衰減量的衰減器稱為電調(diào)衰減器。利用PIN管正向電阻隨偏置電流連續(xù)變化的特性(見圖7-12)，可以做成各種類型的電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器可用于振幅調(diào)制和穩(wěn)幅系統(tǒng)。圖7-12

PIN管正向電阻隨偏流變化特性

PIN管電調(diào)衰減器的工作原理、結(jié)構(gòu)形式基本上與開關(guān)電路相同，都是利用PIN管阻抗隨偏置變化的特性，所不同的是：①偏置情況不同，在開關(guān)電路中偏置是從一個(gè)極值跳變到另一個(gè)極值(即從正偏的某一個(gè)值跳變到負(fù)偏的某一值)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的“通”、“斷”，而在電調(diào)衰減器中，偏置則是連續(xù)可變的，即正偏電流連續(xù)變比，以實(shí)現(xiàn)衰減量的連續(xù)可變；②采用的PIN管不同，在開關(guān)中為了縮短開關(guān)時(shí)間，選用I層較薄(幾個(gè)微米)的管子，而在電調(diào)衰減器中，為了獲得較大的衰減量動(dòng)態(tài)范圍，采用I層較厚(幾十微米)的管子。圖7-1所示的開關(guān)電路實(shí)質(zhì)上就是一種反射型衰減器。因此正向偏置的PIN管在工作頻率低于截止頻率時(shí)，可以等效為一個(gè)電阻Rf，它的量值隨正偏電流而改變，所以當(dāng)連續(xù)改變PIN管的正偏電流時(shí)，可連續(xù)控制其反射特性，從而使電路的插入衰減連續(xù)變化，起到一個(gè)可變衰減器的作用。下面分別討論幾種常用的衰減器。7.2.1環(huán)行器單管電調(diào)衰減器

圖7-13為單管環(huán)行器型電調(diào)衰減器的示意圖。當(dāng)微波功率由輸入端口①輸入時(shí)，經(jīng)環(huán)行器到達(dá)端口②后，一部分功率為PIN管吸收，另一部分功率反射回環(huán)行器，由端口③輸出。此電調(diào)衰減器的衰減由偏置電流來控制。偏置電流經(jīng)過直流偏置電路加到二極管上。環(huán)行器的作用是使得輸入電路能得到較好的匹配。這種單管電調(diào)衰減器的衰減量為(7-14)圖7-13環(huán)行器單管電調(diào)衰減器示意圖式中:

7.2.2

3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器

圖7-14(a)為微帶型3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7-14(b)是它的等效電路。在定向耦合器的②、③端分別接上受正向偏流控制的PIN管和阻值為Z0的電阻，當(dāng)管子的電阻隨偏流改變時(shí)，④端的輸出功率便隨之改變，偏流越大，Rf越小，②、③端越接近匹配，④端輸出的功率也越小，系統(tǒng)的衰減便越大。當(dāng)Rf=0時(shí)，④端輸出的功率為零，由此便構(gòu)成電調(diào)衰減器。這種衰減器由于有1／4波長(zhǎng)線段，因而只能工作于窄頻帶。設(shè)兩只PIN管的特性相同。②、③端的反射系數(shù)為圖7-14

3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器(a)微帶電路圖；(b)等效電路

則衰減器的衰減量為

式中：(7-15)7.2.3吸收型陣列式衰減器

為了使系統(tǒng)的頻帶展寬、衰減量的動(dòng)態(tài)范圍增大及能夠承受較大的功率，可采用多個(gè)并接在傳輸線上的PIN管，管間相互間隔為1／4波長(zhǎng)的陣列式衰減器，如圖7-15(a)所示。加正向偏置的PIN管等效為正向電阻Rf，隨著管子正向偏流的改變，各電阻的阻值發(fā)生變化，故為一個(gè)電調(diào)衰減器。實(shí)際應(yīng)用中，常采用相同的PIN管、但各管偏置不同的漸變?cè)嚵惺剿p器，如圖7-15(b)所示。圖7-15漸變?cè)嚵惺剿p器(a)PIN管陣；(b)衰減器等效電路陣列式衰減器的分析采用影像法比較方便。這時(shí)可把衰減器電路分成許多相同的T型節(jié)，先分析其單節(jié)特性，然后級(jí)聯(lián)起來，就得到整個(gè)陣的特性。

圖7-16為一個(gè)單節(jié)衰減器的等效電路，PIN管用等效導(dǎo)納YD表示，管子兩邊是θ/2長(zhǎng)的傳輸線，其特性阻抗為Z0，在中心頻率上(θ=π/2)，單節(jié)衰減器的影像反射系數(shù)和插入衰減分別為(7-16)圖7-16單節(jié)衰減器的等效電路

于是輸入駐波比為

在工程中通常采用多節(jié)級(jí)聯(lián)。由于輸入駐波比主要取決于前面幾個(gè)單節(jié)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般僅把三個(gè)管子的正向電阻形成漸變分布，而后面的管子則按等元件陣排列。(7-18)(7-17)7.2.4

PIN管限幅器

電調(diào)衰減器是利用外加偏置電流來控制其衰減量的，所以有時(shí)稱為它控衰減器。在某些情況下，要求微波信號(hào)通過控制電路時(shí)能自動(dòng)控制電路的衰減。利用PIN管在零偏加微波信號(hào)時(shí)的阻抗特性，可實(shí)現(xiàn)此目的。因此零偏PIN管常作為雷達(dá)接收機(jī)高放、混頻前的限幅器。當(dāng)微波信號(hào)超過某一電平后，由于PIN管阻抗顯著變小而使通過PIN管的衰減量顯著增大，從而限制輸出功率在一定電平以下(見圖7-17)。這種限幅器是一種由信號(hào)自身幅度來控制的“自控衰減器”，無需外加偏流。所以限幅器的電路形式與電調(diào)衰減器的形式基本相同，只是不需要偏置電路。另外，在限幅器中所用的為薄基PIN管(I層厚度約為1μm左右)，它只需在其中積累不太多的載流子，I層阻抗就會(huì)顯著變化，使PIN管對(duì)功率反應(yīng)比較靈敏，因而能夠工作于較低的限幅電平。而對(duì)用作功率開關(guān)和衰

減器的PIN管，其I層則很厚(約16～20μm)。圖7-17限幅器特性

7.3

PIN管數(shù)字移相器(調(diào)相器)

用PIN管作為控制元件的移相器稱為PIN管移相器(即微波移相器)。按相移量的方式不同，PIN管移相器可分成模擬式和數(shù)字式兩種，前者的相移量在一定范圍內(nèi)(0°～180°或0°～360°)連續(xù)可變；后者的相移量只能按一定量值作步進(jìn)改變，例如0°、22.5°、45°、…、337.5°、360°。在微波控制電路中，常用的移相器主要是數(shù)字式移相器。它大量應(yīng)用在相控陣天線中，用來控制每個(gè)輻射單元的相位，實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描。目前相控陣?yán)走_(dá)中，用得較多的是由四個(gè)單元組成的四位數(shù)字移相器，如圖7-18所示。數(shù)字式移相器的主要技術(shù)指標(biāo)是：移相精度、功率容量、插入衰減、輸入駐波比、工作頻帶等。目前，作為單元移相器的主要有開關(guān)線型移相器、加載線型移相器和定向耦合器型移相器。圖7-18四位數(shù)字移相器00/22.5000/180000/90000/4507.3.1開關(guān)線型移相器

利用PIN管的單刀雙擲開關(guān)，使微波信號(hào)從兩條電長(zhǎng)度不同的傳輸線通過后，可以得到兩種不同的相移量，根據(jù)這個(gè)原理做成的移相器稱為開關(guān)線型移相器。實(shí)際上它是一段可開關(guān)的傳輸線，圖7-19是它的電原理圖。圖中l(wèi)為“參考相位通道”，另一條較長(zhǎng)的傳輸線稱為“延遲相位通道”。若把參考通道輸出端的微波信號(hào)相位定為0°，則延遲通道輸出端的微波信號(hào)滯后為(7-19)圖7-19開關(guān)線型移相器示意圖(a)開關(guān)線相移單元；(b)等效電路式中：Δl為兩條傳輸線的長(zhǎng)度差，顯然相移量Δ是頻率的函數(shù)，因此這種開關(guān)線型移相器是窄頻帶的。在這種移相器中，每一相移單元使用4個(gè)PIN二極管開關(guān)，2個(gè)接通，2個(gè)斷開。無論在哪種狀態(tài)，輸出信號(hào)總是通過同樣數(shù)量的“接通”開關(guān)，因而插入衰減不變，但是由于所用的管子多，因此插入損耗比較大。7.3.2加載線型移相器

圖7-20(a)為一微帶加載線型移相器，在主傳輸線(特性導(dǎo)納為Y0)上接了一段“加有負(fù)載”的傳輸線(特性導(dǎo)納為Y01，電角度為θ)，所加負(fù)載由并聯(lián)分支(特性導(dǎo)納為Y02，電角度為θ)接PIN管構(gòu)成。如果忽略PIN管的損耗電阻，認(rèn)為PIN管處在正、反向偏置兩種狀態(tài)時(shí)都等效為純電抗，則在主傳輸線上將引入不同的并聯(lián)電納jB+和jB－，見圖7-20(b)。這兩種情況下移相器等效為不同電長(zhǎng)度的傳輸線(特性導(dǎo)納為Y)，從而實(shí)現(xiàn)改變相移量(φ+及φ－)的目的，見圖7-20(c)。圖7-20加載線型移相器(a)移相器電路；(b)、(c)等效電路為了求得加載線型移相器的相移量，先要求出兩種情況(圖7-20(b)和圖7-20(c))下的矩陣，然后令兩個(gè)矩陣相等，就可得到相應(yīng)的關(guān)系式。

為簡(jiǎn)化分析，把PIN管看做是一個(gè)純電抗元件。圖7-20(b)所示的移相器是一個(gè)三級(jí)級(jí)聯(lián)的兩端口網(wǎng)絡(luò)。令移相器輸入、輸出端傳輸線的特性導(dǎo)納為Y0，則其矩陣A為(7-20)圖7-20(c)所示網(wǎng)絡(luò)的矩陣A′為

令A(yù)=A′，即可求得(7-22)(7-23)(7-21)由此解得

式(7-22)和式(7-23)表示移相器和其等效傳輸線參量間的關(guān)系，其中φ就是信號(hào)通過該移相器的相移。當(dāng)PIN管在正、反兩種偏置狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電納分別為B+和B－，因而移相器在兩種狀態(tài)下的相移變化量為(7-24)(7-25)

實(shí)際上一般選擇θ=π/2，同時(shí)為使移相器的輸入端和輸出端都能匹配，通常選擇等效傳輸線的特性導(dǎo)納與外接傳輸線特性導(dǎo)納相等，即Y=Y0。因此對(duì)式(7-23)、式(7-24)和式(7-25)聯(lián)合求解，得(7-26)

由此可見，當(dāng)加載線的電長(zhǎng)度θ=π/2時(shí)，兩種相位狀態(tài)所要求的并聯(lián)電納量值相等，符號(hào)相反。對(duì)于相移量較小的移相器，例如φ≤π/4，則可近似為(7-29)(7-28)(7-27)

因此，由B+和B－就可確定Y02。

加載線型移相器通常作為數(shù)字式移相器的小移相位，例如作為22.5°、45°移相位。若要用于較大的移相位時(shí)，例如作90°移相器，則可用兩個(gè)45°移相器級(jí)聯(lián)起來。為縮小體積，常把兩個(gè)中間的并聯(lián)傳輸線合并為一，成為三個(gè)分支的加載線型移相器，如圖7-21所示。對(duì)于180°移相位，一般不采用加載線型移相器，而采用定向耦合器型移相器。(7-30)(7-31)圖7-21

90°移相器示意圖最后討論這種移相器的工作頻帶問題。因?yàn)棣群蚸B±都是頻率的函數(shù)，相移量和輸入駐波比均隨頻率而變化，所以加載線型移相器的帶寬有一定限制。

7.3.3定向耦合器型移相器

定向耦合器型移相器有時(shí)又稱反射型移相器。其原始形式為一環(huán)行器，如圖7-22所示。信號(hào)自環(huán)行器的①端輸入，至②端經(jīng)PIN管反射后到③端輸出。控制PIN管的電抗，就能改變輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)之間的相移，但由于環(huán)行器價(jià)格昂貴，體積、重量大，且環(huán)行器的隔離度不良將造成相位誤差，因而目前常用圖7-23所示的3dB定向耦合器型移相器。圖7-22環(huán)行器型移相器圖7-23

3dB定向耦合器型移相器原理圖圖7-23中，3dB定向耦合器型移相器從①端口輸入的功率，平分至端口②、③，然后經(jīng)VD1、VD2反射，將②、③端口的反射功率在④端口合成輸出。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差φ與VD1、VD2的工作狀態(tài)有關(guān)。在數(shù)字式移相器中，每只單元移相器只有兩個(gè)相位改變。因此只要使兩個(gè)PIN管同時(shí)在正偏和反偏下工作，便能使④端口輸出信號(hào)的相位改變，這就是3dB定向耦合器型移相器的基本原理。圖7-24為這類移相器的一種微帶型電路。由于這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般只用來作大移相位。1—λ/4高阻抗線；2—接地孔；3—分支線定向耦合器；4—變換網(wǎng)絡(luò)；5—PIN管；6—偏置電路圖7-24微帶定向耦合器型移相器

在3dB定向耦合器型移相器中，輸出信號(hào)電壓相位的變化量等于參考面T2、T3(見圖7-23)電壓反射系數(shù)Γ的相角變化量，其值為

對(duì)于180°移相器，PIN管正、反向偏置時(shí)的等效電納必須滿足

B+·B－=－1

(7-33)(7-32)即PIN管正