第七章微波控制電路

第七章微波控制電路主要內(nèi)容概述PIN二極管的基本特性微波開關微波電壓控制移相器微波電調(diào)衰減器微波限幅器§7.1引言用途：多波束雷達、相控陣雷達、電子對抗、微波通信、微波測量。器件：微波半導體管和鐵氧體。半導體管特點：控制功率小、控制速度快、體積小、重量輕。半導體控制器件：PIN管、變?nèi)莨?、肖特基二極管、場效應管。PIN管：功率容量大、損耗小、開關特性好、電流驅(qū)動、功耗偏大、正電壓控制。FET：功率容量小、損耗偏大、電壓驅(qū)動、功耗可以忽略、負電壓控制，便于集成。分類：根據(jù)其用途，主要包括以下三種：微波信號傳輸路徑通斷或切換——微波開關，脈沖調(diào)制器等控制微波信號的大小——電控衰減器，限幅器，幅度調(diào)制器等。控制微波信號的相位——數(shù)字移相器，調(diào)相器等?！?.2PIN二極管的基本特性PIN二極管結構（a）PIN二極管的簡化結構（b）經(jīng)臺面處理技術加工成的PIN二極管結構圖7.1PIN二極管結構

構成：兩個高摻雜的P+和N+半導體之間加入一個未摻雜的本征層，即I層，就構成PIN二極管。PIN結特性工作機理：

零偏壓——由于擴散作用，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子分別向I區(qū)擴散后復合，這樣在I區(qū)邊界附近建立起一電場，進而阻礙空穴和電子繼續(xù)向I層注入，最終達到動態(tài)平衡——等效為高阻抗。結果：PIN管不能導通。PIN結特性反偏壓——空間電荷層變厚，勢壘升高，ＰＮ結的不導電程度增加；

——等效為更高阻抗值

W是本征層寬度；A是截面積；

是本征層的介電常數(shù)（c）反向未擊穿時的等效電路（d）反向擊穿后的等效電路Cj是耗盡區(qū)電容；Cj是非耗盡區(qū)電容無非耗盡區(qū)（a）正向等效電路圖7.3實際PIN管的正反相等效電路（b）正向簡化電路正偏壓——空間電荷層變薄，勢壘降低，并受外加正偏壓的影響，Ｐ層空穴以及Ｎ層電子源源不斷向Ｉ層注入并復合消失(平均壽命為τ)，形成導通狀態(tài)（等離子狀態(tài)）——低阻，偏流越大，阻值越低

其中Q0為I層儲存電荷，I0為正向偏置電流。

為載流子壽命，它與材料和工藝有關，對硅材料為：0.1~10微妙。

低頻時，信號周期T>>

，I層的導電狀態(tài)能跟隨信號而周期變化，正半周導通，負半周截止，PIN管和普通PN結二極管一樣具有整流作用。不同的是加了一個未摻雜的I層，耗盡層寬度加寬，結電容減小，并能承受更高的反向電壓或更大的功率。導通時：

在微波頻段，信號周期T遠小于載流子壽命

，其導電狀態(tài)來不及跟隨信號正負變化，整流作用消失。

正偏時：產(chǎn)生的偏壓電流為I0，且PIN管導通。正半周時，微波電流I1通過PIN管，負半周時，微波信號抽出的電荷Q1僅占儲存電荷Q0的很小一部分，不影響PIN管導通，即來不及跟隨信號極性的變化。

結論：很小的正向偏置電流就可以使大幅度的微波信號在整個周期內(nèi)工作于正向低阻狀態(tài)，PIN管類似于一個線性電阻。

注意：必須有正向偏置電流。

負偏壓時，即使微波電壓遠大于VR，整個周期內(nèi)PIN管處于反向高阻狀態(tài)（主要是由于載流子壽命長）。

結論：對PIN管施加較小的低頻控制功率，就可以使它控制很大的微波功率，其阻抗主要取決于直流偏置的極性和大小，而與微波信號幅度幾乎無關。

低頻和微波同時加到PIN管上：§7.3微波開關通斷開關，如單刀單擲（SPST）開關，其作用是控制傳輸系統(tǒng)中微波信號的通斷；其典型應用為微波信號源用的脈沖調(diào)制器；轉(zhuǎn)換開關，如單刀雙擲（SPDT）開關。其典型應用為雷達發(fā)射機和接收機共用天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關，以及雷達多波束的轉(zhuǎn)換控制。按電路形式分為：串聯(lián)型開關、并聯(lián)型開關、串/并聯(lián)型開關；從電路性能分為：反射式開關、諧振式開關、濾波器式開關、陣列式開關。按功能：單刀單擲開關（SPST）（a）串聯(lián)型

（b）并聯(lián)型（c）串聯(lián)等效電路（d）并聯(lián)等效電路單刀單擲開關電路簡化圖正偏低阻通；反偏高阻斷；插入損耗和隔離度PIN管實際上存在有一定數(shù)值的電抗及損耗電阻，因此開關電路在導通時衰減不為零，稱為正向插入損耗L，定義是開關導通時傳到負載的實際功率與理想開關傳到負載的功率之比：式中，——輸入信號的信源資用功率；

——輸出功率。開關在斷開時衰減也并非無窮大，稱之為隔離度，當為開關斷開時負載上的實際功率時，上式表示開關的隔離度。用二端口網(wǎng)絡參量表征開關網(wǎng)絡特性，則，所以由單元元件S參數(shù)（S21）定義，可得串、并聯(lián)型開關的插入損耗分別是式中，插入損耗和隔離度對并聯(lián)型電路，負偏置狀態(tài)導納（未考慮封裝影響）：正偏置狀態(tài)導納（未考慮封裝影響）：

（a）正偏等效電路（b）反偏等效電路

封裝后的PIN管正、反向偏壓下的等效電路

開關例題例7.1

設PIN管的參數(shù)如下：Cj=0.5pF，，傳輸線的特性阻抗為50Ω，工作頻率f=2GHz。計算開關并聯(lián)諧振時的插入損耗和隔離度。解根據(jù)并聯(lián)型開關的插入損耗及其正、負偏置狀態(tài)導納公式，可求得

L并（插入損耗）≈0.1dB，

L并（隔離度）≈28.3dB

如果考慮PIN管封裝后的參數(shù)，則在等效電路中引入、，令，當PIN管處于正偏時為隔離狀態(tài)，此時容抗很大，可以忽略，PIN管歸一化導納為開關例題求得并聯(lián)開關的隔離度約為12.47dB，插入損耗為0.22dB。由此可見，寄生參量對開關電性能的影響很大，插入損耗由0.1dB增加到0.22dB，隔離度由28.3dB降至12.47dB。性能變壞的原因是由于寄生參量與器件參數(shù)組合形成諧振回路，它們的諧振阻抗隨工作頻率而變化。并聯(lián)型開關在、組合的并聯(lián)諧振頻率點上，隔離度最差，、組合的串聯(lián)頻率點，插入損耗最大。因此，改善開關性能的途徑，可以人為地外加電抗元件與寄生元件調(diào)諧，以此改善開關通斷比。改善開關特性的電路諧振式開關：即對給定的PIN管及指定的工作頻率，外加電抗元件與寄生元件調(diào)諧，使開關在PIN管正、反偏狀態(tài)下分別于指定頻率點產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振（或反之）。缺點：相對帶寬較窄。多管單路開關：即采用多管單路形式以改善開關的性能。濾波器型開關：用PIN管代替濾波器元件就可構成寬頻帶的開關。多管單路開關(a)并聯(lián)型開關電路(b)串聯(lián)型開關電路(c)并聯(lián)型開關等效電路

兩只PIN二極管組成的開關電路

雙管并聯(lián)型隔離度L：結論：這種情況下的隔離度近似等于兩級單管并聯(lián)型開關的隔離度之和再加6dB，即可以大大提高開關的隔離度，當然插損也會有增加。

濾波器型開關低通濾波器型PIN管開關

隔離狀態(tài)結構圖傳輸狀態(tài)單刀雙擲開關（SPDT）單刀雙擲開關單刀雙擲開關（SPDT）并聯(lián)型單刀雙擲開關等效電路

Lp，Cp可忽略；Ls，Cs串聯(lián)諧振；Ls相比于Cj可忽略；Lp，Cj//(Cp+Cs)并聯(lián)諧振單刀雙擲開關（SPDT）根據(jù)單刀雙擲開關的等效電路圖，可得出其歸一化A矩陣為：將[a]矩陣轉(zhuǎn)換為[S]后可得插入損耗為：同理可得隔離度公式：

（dB）（dB）工作原理：D1正向?qū)〞r，D2為反向狀態(tài)，則信道1被短路而無輸出。由于λ/4線的作用，D1短路在分支點A的輸入阻抗為開路，對信道2的傳輸不產(chǎn)生影響。D1反向，D2正向?qū)〞r，剛好相反。

當兩管都加正偏壓時，并接于A、B的兩支λ/4線的終端近似于短路，其輸入阻抗接近于無限大。從輸入口到信道口1的傳輸不受影響，通路2被短路而無輸出。

當兩管都加負偏壓時，兩支λ/4線的終端接近于開路，B點被短路，通道1無輸出；B點到A點的路徑為λ/4，它在A點的輸入阻抗接近于無限大，通道2不受通道1影響；且PIN管開路，對通道2也無影響，故信號從通道2輸出。

工作原理：SPDT開關的微帶電路結構由于沒有采用λ/4線就實現(xiàn)信道的轉(zhuǎn)換作用，因此具有寬的工作頻帶。串并聯(lián)二極管SPDT電路串并聯(lián)二極管SP3T電路及直流偏置開關時間：

指從“開”到“關”與從“關”到“開”所需的時間。這是由于電荷儲存效應使開關狀態(tài)切換時不是瞬時完成，而是需要一個過程。開關時間既和PIN管性能有關，又和開關的控制電流有關。因此，提高開關速度的辦法是：選用

小的管子；增大控制電流的脈沖幅度；選用I層較薄的PIN管。

一般情況下，PIN管的開關速度可達ns量級，有些場合對開關時間沒有要求。MESFET微波開關優(yōu)點：能簡化偏置網(wǎng)絡，驅(qū)動電路功耗小，且?guī)拰?，功率容量大，開關速度快（可達亞毫微秒）。MESFET開關是三端器件，由柵壓控制開關狀態(tài)，典型開關特性是負偏壓時（），柵偏壓大于截止電壓，對應高阻抗狀態(tài)；零柵壓時對應低阻抗狀態(tài)，都處于器件的線性工作區(qū)。不論器件處于導通和截止的哪種狀態(tài)，均幾乎不需直流偏置功率，因此可歸入無源部件類。MESFET微波開關零偏壓時管子可用電阻表示，即式中，為常數(shù)，與柵周長、外延層摻雜濃度及其厚度有關；、、為等效通道電阻。（a）零柵偏壓

（b）

簡單的FET結構截面圖MESFET微波開關高阻狀態(tài)下的電阻為高阻狀態(tài)下的電容為

（a）高阻狀態(tài)等效電路（b）簡化等效電路

MESFET高阻抗狀態(tài)下的等效電路

MESFET微波開關FET負柵偏壓與通道電阻RCH的關系

MESFET開關電路圖10W發(fā)射-接收開關原理圖

FET斷

Ron（小）

0

V

D

D

S

G

S

G

D

D

S

S

0

V

Roff（大）

RF出

RF入

FET通

Roff

=2.15kW

Coff=0.25pF

Ron=2.53W

1

3

2

LC

l/4，50W

LC

并聯(lián)型SPDT

串聯(lián)型

并聯(lián)型

l/4，50W

§7.4微波電壓控制移相器作用：利用偏壓控制半導體元件的狀態(tài)，以改變微波信號的傳輸相位。實現(xiàn)方式：混合集成方式微波單片集成電路（MMIC）方式微機械系統(tǒng)技術（MEMS）半導體元件：PIN管、變?nèi)莨?、FET管技術指標

工作頻帶：指移相器的技術指標下降到允許邊值時的頻率范圍。相移量：指輸入信號和輸出信號的相位差。相移精度：對于一個固定頻率點，相移量各步進值圍繞各中心值有一定偏差；在頻帶內(nèi)不同頻率時，相移量又有不同數(shù)值。衡量指標：最大相移偏差或均方根誤差。移相器開關時間：移相器是由微波開關構成，所以移相器的開關時間基本上取決于開關器件(PIN或FET)的轉(zhuǎn)換時間。寄生調(diào)幅

：駐波比；插損；結構尺寸；分類微波集成移相器分類

模擬式：相移連續(xù)可調(diào)，控制電路設備較復雜，要求精度不高時，可手動調(diào)節(jié)。數(shù)字式：相移是階躍變化，是量化的，通常采用二進制數(shù)字電路來控制。

如兩個移相器狀態(tài)分別為（0。,90。)和（0。，180。），則組合后可得（0。，90。，180。，270。）四種狀態(tài)，這是二位移相器。如果是四位移相器，則步進相位為22.5。。分類：加載線型移相器主線安裝器件分支線安裝器件變化分支長度型加載線型移相器的幾種類型加載線型移相器相移量：（a）移相器電路（b）、（c）等效電路微帶加載線型移相器

實際設計時，給定、，選定θ，設計相應的及值，以滿足的要求。反射型移相器反射型移相器電原理圖

反射型移相器兩種典型反射型移相器原理圖

開關網(wǎng)絡移相器相移量：開關式移相器平衡式移相器——減少寄生調(diào)幅引起的相位誤差

平衡式調(diào)相器（中心頻率時）(a)D1短路，D2開路(b)D2短路，D1開路平衡式調(diào)相器（兩種狀態(tài)下插損理論上相等）短路開路§7.5微波電調(diào)衰減器定義：用電信號控制衰減量的衰減器。用途：電路系統(tǒng)的自動增益控制、功率電路的電平控制、放大器增益變化的溫度補償?shù)日{(diào)節(jié)方式：連續(xù)可調(diào)（電控信號大多是連續(xù)可調(diào)的，以實現(xiàn)衰減量的連續(xù)可調(diào)）數(shù)字式離散調(diào)節(jié)；五比特衰減器:0.5,1,2,4,8采用的半導體元件：PIN二極管或各種三極管。衰減器的主要技術指標衰減動態(tài)范圍：指最大衰減量（用dB表示）和最小衰減量（用dB表示）之差。衰減線性度：衰減與外加偏壓呈線性關系。駐波比：反射型衰減器駐波比很差，需外加隔離器使用。吸收型衰減器駐波比好，性能優(yōu)越，是目前應用廣泛的商品電調(diào)衰減器。衰減頻帶與平坦度：電調(diào)衰減器的衰減頻帶是指在頻帶內(nèi)各頻率點處的衰減量一致，在衰減量改變時，仍能保持均勻衰減。平坦度是指工作頻帶內(nèi)衰減量的起伏，經(jīng)常用最大起伏來表示平坦度的優(yōu)劣。功率范圍：電調(diào)衰減器承受功率的范圍。

PIN二極管衰減器電控衰減器按照產(chǎn)生衰減的物理原因可分成反射型和吸收型。在反射型衰減器中，衰減主要由PIN管的反射形成，在吸收型衰減器中，衰減則主要由PIN管的損耗形成。圖中網(wǎng)絡的衰減為式中，為網(wǎng)絡的反射損耗，為網(wǎng)絡中管子的吸收損耗。電控衰減機理：PIN管在較小正偏壓下，正向電阻隨正向偏流的增大而減少

衰減器原理圖

典型的電調(diào)衰減器電路

π型電阻衰減器圖中電阻R1和R2分別代表三個PIN管，從AA

截面向右看的阻抗為ZA，為了實現(xiàn)輸入端匹配，則應有

PIN管連成的π形衰減器等效電路式中，

調(diào)節(jié)正偏壓，使得R1、R2發(fā)生變化，進而使得輸出電壓隨之改變典型的電調(diào)衰減器電路

窄頻帶匹配型衰減器由相同的PIN管組成的如圖所示的衰減器電路，在中心頻率上，正偏時其反射為零，即不論Rf為何值，輸入端始終匹配，因此這種電路稱為匹配型衰減電路。窄帶匹配型衰減器原理圖

調(diào)節(jié)正偏壓，使得I0（↑），Rf（↓），衰減量增加。典型的電調(diào)衰減器電路3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器

3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器調(diào)節(jié)正偏壓，使得I0（↑），Rf（↓），衰減量增加。典型的電調(diào)衰減器電路三路混合式電控衰減器1、調(diào)節(jié)正偏壓，使得I0（↑），Rf（↓），衰減量增加。2、D1和D2引起的反射在輸入端口反相相消，使輸入匹配。典型的電調(diào)衰減器電路并聯(lián)PIN管陣列衰減器等效電路單節(jié)等效電路漸變元件陣列式衰減器漸變元件陣列式衰減器1、處在前面的PIN管阻抗搭，減小反射；2、多節(jié)衰減器的反射在輸入端可部分相消，減小駐波?！?.6微波限幅器主要指標：門限電平P0——當Pin<P0時，Pout∝Pin；Pmax

>Pin>P0時，Pout~P0;插入損耗——當Pin<P0時，輸入輸出功率比；隔離度——Pmax

>Pin>P0時，輸入輸出功率比；Pin

=Pmax時有最大隔離；工作頻帶——滿足各項限幅指標的工作頻率范圍；平坦泄露功率——輸入信號為脈沖時，限幅器的門限電平；尖峰能量——輸入信號的最大功率能量；恢復時間——從輸入脈沖信號結束到插損I恢復至I0（Pin=P0）+3dB時的時間；可用元件

肖特基勢壘二極管；變?nèi)莨?；PIN管；作用：對小功率信號幾乎無衰減地通過，而對大功率信號產(chǎn)生大的衰減，信號愈強，衰減越大。限幅器工作原理利用在微波頻段內(nèi)具有整流作用的二極管，通常為肖特基勢壘二極管1、當信號電壓小于二極管導通電壓（對硅管，約為0.7V），二極管不導通，呈現(xiàn)高阻，信號不受衰減。2、當信號正半周電壓超過時，二極管導通呈現(xiàn)低阻，使信號削波。3、負半周信號被反極性二極管削波，從而完成限幅作用。

局限性：1、為了使二極管有充分快的轉(zhuǎn)換時間，空間電荷層必須很薄，結電容必須小，結面積也必須?。ū仨毑捎每晒ぷ髟谠O計頻率的二極管），體積小，不能承受大功率信號。2、限幅時產(chǎn)生高次諧波，系統(tǒng)應用中應考慮它的影響。變?nèi)莨芟薹?、小信號時兩個變?nèi)莨芊礃O性并聯(lián)電容之和，與電感L產(chǎn)生并聯(lián)諧振而呈現(xiàn)高阻，信號無衰減傳輸。2、大信號時，變?nèi)莨芙Y電容隨輸入信號幅度的增加而減小，原來的并聯(lián)諧振電路失諧，產(chǎn)生反射，將輸入信號衰減后輸出。工作原理：①必須采用小電容變?nèi)莨?，功率容量受限。②反應速度快（轉(zhuǎn)換時間?。?。特點：三、采用PIN管

高電平微波電壓激勵時，在RF信號正半周，空穴和電子分別從P層和N層向I層注入。在負半周，注入的載流子大部分被吸出，但不是全部，I層有電荷儲存。經(jīng)過幾個RF周期后，I層電荷儲存達到平衡，呈現(xiàn)很低的微波阻抗，使大的RF信號受到限幅。工作原理：1、PIN管不是通過對RF信號整流，使RF信號削波產(chǎn)生限幅作用，而是通過對I層導電性能調(diào)制而產(chǎn)生限幅作用，只需要一個PIN管就可以使信號正負周都起作用。

2、必須提供直流通路，因為注入I層的兩種載流子連續(xù)不斷復合，產(chǎn)生一個方向與二極管的正向電流相同的直流電流在外電路的流通。否則I層就得不到載流子補充，就不會導通，失去限幅作用。3、小信號時電路是匹配的。大信號時，負載被旁路，使信號產(chǎn)生反射而限幅。注意：提高限幅器輸入駐波比的方法3dB電橋限幅器加匹配電阻的級聯(lián)限幅器

電路原理圖未限幅時等