微波控制电路

微波控制电路第1页，共101页，2023年，2月20日，星期六表1开关器件的性能比较第2页，共101页，2023年，2月20日，星期六

1.开关的基本原理

1)开关器件原理

铁氧体开关的原理是改变偏置磁场方向,实现导磁率的改变,以改变信号的传输常数,达到开关目的。PIN管在正反向低频信号作用下,对微波信号有开关作用。正向偏置时对微波信号的衰减很小（0.5dB）,反向偏置时对微波信号的衰减很大（25dB）。第3页，共101页，2023年，2月20日，星期六

BJT和FET开关以基极（栅极）的控制信号决定集电极（漏极）和发射极（源极）的通断。放大器有增益,反向隔离大,特别适合于MMIC开关。

MEMS微机电器件也可以用作开关器件。第4页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2)微波开关电路 开关器件与微波传输线的结合构成微波开关组件。以PIN和MESFET为例。其中MESFET工作在无源模式。开关按照接口数量定义,代号为PT,如单刀单掷(SPST)、单刀双掷（SPDT）、双刀双掷（DPDT）、单刀六掷（SP6T）等。第5页，共101页，2023年，2月20日，星期六封装后pin二极管等效电路第6页，共101页，2023年，2月20日，星期六GaAsMESFET在低阻时（栅极0偏）GaAsMESFET在高阻时（栅极偏压不低于夹断电压）无源模式MESFET的器件结构和高阻态等效电路第7页，共101页，2023年，2月20日，星期六无源模式MESFET的高阻态等效电路和简化电路典型值：Coff0.2pFRoff2kΩ第8页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关设计：串联结构和等效电路插入损耗和隔离度注：键合带有电感第9页，共101页，2023年，2月20日，星期六并联结构和等效电路插入损耗和隔离度第10页，共101页，2023年，2月20日，星期六举例：MA47892：工作在3.18GHz时，正向偏置为0.4+j6Ω;

反向偏置为0.5-j44Ω串联时：并联时：MA47899：工作在3.18GHz时，正向偏置为1+j6Ω;

反向偏置为4-j494Ω串联时：并联时：第11页，共101页，2023年，2月20日，星期六器件电抗补偿以并联安装为例，在高阻态下，可以一高阻和一小电容并联来等效，总导纳可用一感性电纳来降低插入损耗和隔离度改写为：注：这种补偿是容易的，因为在漏源间没有直流电位差第12页，共101页，2023年，2月20日，星期六举例：MA47892：未补偿时：补偿时：

栅极GaAsMESFET：工作在10GHz时，Roff=3kΩ,Coff=0.25pF未补偿时：补偿时：第13页，共101页，2023年，2月20日，星期六(a)并联型;(b)串联型

单刀双掷（SPDT）开关：第14页，共101页，2023年，2月20日，星期六第15页，共101页，2023年，2月20日，星期六利用MESFET作为并联安装SPDT开关的一个例子，频率10GHz第16页，共101页，2023年，2月20日，星期六第17页，共101页，2023年，2月20日，星期六串、并联开关结构图示为SP3T开关的微带结构第18页，共101页，2023年，2月20日，星期六注：“通”态时，Zse为低阻Zl，Zsh为高阻Zh；反之，“断”态时，Zse为高阻Zh，Zsh为低阻Zl最简串并联复合开关结构及等效电路插入损耗：隔离度：第19页，共101页，2023年，2月20日，星期六注：串、并联开关在隔离度上有了很大改善，在插损上比串联开关好是因为它降低了反射损耗第20页，共101页，2023年，2月20日，星期六宽带串－并开关结构通态时像低通滤波器，断态时像高通滤波器第21页，共101页，2023年，2月20日，星期六如上图示，对于通态对于断态第22页，共101页，2023年，2月20日，星期六仿真练习：设计一开关开关结构：SPDT驻波比：＜1.25频率：5-6GHz插入损耗：＜2dB隔离度：＞40dB第23页，共101页，2023年，2月20日，星期六第24页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关速度：测量开关速度的实验设备第25页，共101页，2023年，2月20日，星期六开通延时、开通开关、关断延时、关断开关各项有关开关速度的术语第26页，共101页，2023年，2月20日，星期六影响开关速度的因素1、开关器件本征层宽度、载流子迁移率、耐功率能力

2、偏置网络第27页，共101页，2023年，2月20日，星期六

移相器

在通信系统中,调相是对微波信号相位的控制,在雷达系统中,相控阵天线是要控制送入天线阵每个单元信号的相位,实现天线波束的调整。这些相位控制电路就是移相器。铁氧体、PIN、BJT、FET或MEMS器件都可以构成相移器。

第28页，共101页，2023年，2月20日，星期六移相器的主要技术指标1.工作频带

移相器工作频带是指移相器的技术指标下降到允许界限值时的频率范围。2.相移量

移相器是两端口网络，相移量是指不同控制状态时的输出信号相对于参考状态时输出信号的相对相位差。3.相位误差

相位误差指标有时采用最大相移偏差来表示，也就是各频点的实际相移和理论相移之间的最大偏差值；有时给出的是均方根（RMS）相位误差，是指各位相位误差的均方根值。第29页，共101页，2023年，2月20日，星期六

传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比为电压驻波比，用VSWR表示。5.电压驻波比4.插入损耗

插入损耗定义为传输网络未插入前负载吸收功率与传输网络插入后负载吸收功率之比的分贝数。6.开关时间和功率容量

开关元件的通断转换，有一个变化的过程，需要一定的时间，这就是开关时间。移相器的开关时间主要取决于驱动器和所采用的开关元件的开关时间。移相器的功率容量主要是指开关元件所能承受的最大微波功率。开关的安全工作取决于开关导通状态时允许通过的最大导通电流和截止状态时两端能够承受的最大电压。第30页，共101页，2023年，2月20日，星期六各种微波移相器类型第31页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关线型移相器等效电路第32页，共101页，2023年，2月20日，星期六加载线型移相器引入电纳B，透射波与入射波相比，相位延迟，缺点是有反射，b为归一化电纳第33页，共101页，2023年，2月20日，星期六说明加载型移相器基本机理的电路加载线型移相器常用于对和移相设计。由b引起的反射为：电压传输系数T则可以写成：所引入的相位差为：

第34页，共101页，2023年，2月20日，星期六改进：等效传输线电长度：第35页，共101页，2023年，2月20日，星期六加载线型移相器结构主线安装类型加载线移相器短截线安装类型加载线移相器第36页，共101页，2023年，2月20日，星期六第37页，共101页，2023年，2月20日，星期六反射型移相器第38页，共101页，2023年，2月20日，星期六通过环流器或混合接头将单端口转换成二端口混合接头优于环形器：1.在MIC和MMIC中更容易集成2.用了两个开关器件，耐功率能力提高2倍第39页，共101页，2023年，2月20日，星期六第40页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关网络型移相器用于开关网络移相器的低通和高通滤波器开关线型移相器是开关网络移相器的特殊情况，但开关网络移相器能实现更宽的频带或获得希望的频率响应。第41页，共101页，2023年，2月20日，星期六移相若用π型结构代替前面T型结构，则假定匹配和无损耗，可得第42页，共101页，2023年，2月20日，星期六采用六只MESFET的开关网络移相器第43页，共101页，2023年，2月20日，星期六放大器型移相器1.调谐双栅MESFET移相器

在这种设计中，双栅MESFET的第二栅（靠近漏极）用作信号输入栅极，而第一栅（靠源级较近）用作控制栅。像MESFET放大器设计情况一样，在输入和输出二极管上两端都需要匹配电路。调谐电抗接在第一栅和地之间。控制输出信号和输入信号之间相移的控制电压加在栅极1上，由于改变器件参数（如栅极1至源极电容）和外接调谐阻抗（它可能是串联电感）之间相互作用就获得相位控制。

第44页，共101页，2023年，2月20日，星期六2.采用可切换SPDT放大器有源移相器

这类移相器结构如下所示，输入信号在两个相同放大器之间切换。在其中一个放大器输出端附加一线段长度产生所需的相位。这两路信号在功率合成电路中相加。Wilkinson功率合成器引入3dB损耗，但从放大器有用增益看，这3dB损耗认为是不严重的，这种设计的优点是电路移相部分与其它设计无关。

利用SPDT放大器的移相器方框图

第45页，共101页，2023年，2月20日，星期六功率衰减器1功率衰减器的原理2集总参数衰减器3分布参数衰减器4PIN二极管电调衰减器5步进式衰减器第46页，共101页，2023年，2月20日，星期六功率衰减器的原理

衰减器的技术指标

工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗等

(1)

工作频带。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽。

(2)

衰减量。

图衰减器的功率衰减量设为A（dB）。若P1、P2以分贝毫瓦（dBm）表示，则 第47页，共101页，2023年，2月20日，星期六

(3)

功率容量。

衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。为免烧坏，设计和使用时，必须明确功率容量。

(4)

回波损耗。 反映衰减器的驻波比。衰减器应与两端电路都是匹配的。第48页，共101页，2023年，2月20日，星期六

衰减量动态范围

在控制参量的变化范围内，衰减量的变化范围，针对可变衰减器

衰减量频带特性

要求在宽的频率范围内，在控制参量一定时，衰减量变动很小

其他指标：第49页，共101页，2023年，2月20日，星期六 衰减器的基本构成

基本材料是电阻性材料。电阻衰减网络是衰减器的一种基本形式，也是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积要加大，关键是散热设计。第50页，共101页，2023年，2月20日，星期六

可快速调整的衰减器：

1、半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片集成衰减器；

2、开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。第51页，共101页，2023年，2月20日，星期六

衰减器的主要用途

(1)控制功率电平

(2)

去耦元件

(3)

相对标准

(4)

用于雷达抗干扰中的跳变衰减器第52页，共101页，2023年，2月20日，星期六集总参数衰减器

利用电阻构成的T型或П型网络实现集总参数衰减器，通常衰减量是固定的，由三个电阻值决定。电阻网络兼有阻抗匹配或变换作用，可分为同阻式和异阻式。(a)T型功率衰减器；(b)Π型功率衰减器

Z1、Z2为特性阻抗第53页，共101页，2023年，2月20日，星期六

1

同阻式集总参数衰减器

同阻式衰减器两端的阻抗相同，即Z1＝Z2，不需要考虑阻抗变换，直接应用网络级联的办法求出衰减量与各电阻值的关系。

1.T型同阻式（Z1=Z2=Z0）

如上图（a）所示，取Rs1=Rs2，利用三个［A］参数矩阵相乘的办法求出衰减器的［A］参数矩阵，再换算成［S］矩阵，就能求出它的衰减量。串联电阻和并联电阻的［A］网络参数如下:第54页，共101页，2023年，2月20日，星期六

Rs1的转移矩阵

Rp的转移矩阵 相乘得

第55页，共101页，2023年，2月20日，星期六

转化为［S］矩阵为第56页，共101页，2023年，2月20日，星期六

对衰减器的要求是衰减量为A=20lg|s21|(dB)，端口匹配10lg|s11|=-∞。求解联立方程组就可解得各个阻值。第57页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.П型同阻式（Z1=Z2=Z0）

如上图（b），取Rp1=Rp2，利用三个［A］参数矩阵相乘的办法求出衰减器的［A］参数矩阵，再换算成［S］矩阵，就能求出它的衰减量。

第58页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2

异阻式集总参数衰减器

设计异阻式集总参数衰减器时，级联后要考虑阻抗变换。

1.T型异阻式第59页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.П型异阻式第60页，共101页，2023年，2月20日，星期六

3

集总参数衰减器设计实例

设计实例一：

设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一:同阻式集总参数衰减器A=-5dB，由公式计算元件参数:第61页，共101页，2023年，2月20日，星期六

步骤二:利用ADS仿真衰减器特性。第62页，共101页，2023年，2月20日，星期六 设计实例二：

设计10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一：同阻式集总参数衰减器A=-10dB，由公式计算元件参数：第63页，共101页，2023年，2月20日，星期六

步骤二:利用ADS仿真衰减器特性。第64页，共101页，2023年，2月20日，星期六 设计实例三：

设计10dBП型异阻式（Z1=50Ω，Z2=75Ω）固定衰减器。 步骤一:异阻式集总参数衰减器A=-10dB：

第65页，共101页，2023年，2月20日，星期六

步骤二:利用ADS仿真。第66页，共101页，2023年，2月20日，星期六3分布参数衰减器

1

同轴型衰减器

1.

吸收式衰减器

在同轴系统中，吸收式衰减器的结构有三种形式：内外导体间电阻性介质填充、内导体串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式。衰减量的大小与电阻材料的性质和体积有关。优缺点：优点是频带宽，功率容量大，起始衰减量小，稳定性好，缺点是精度较差。第67页，共101页，2023年，2月20日，星期六三种同轴结构吸收式衰减器（a）填充;（b）串联;（c）带状线第68页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.

截止式衰减器

又称“过极限衰减器”，用截止波导制成，根据当工作波长远大于截止波长λc时，电磁波的幅度在波导中按指数规律衰减的特性来实现。

工作波长范围衰减量优缺点：优点是频带宽，精度高，可用作标准衰减器。缺点是起始衰减量太大。dB第69页，共101页，2023年，2月20日，星期六截止式衰减器第70页，共101页，2023年，2月20日，星期六波导型衰减器

1.

吸收式衰减器

吸收式衰减器结构示意图

(a)固定式；(b)可变式第71页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.

极化吸收式衰减器

圆柱波导旋转的角度θ可以用精密传动系统测量并显示出来，角度的变化也就是极化面的变化。 极化衰减器的衰减量为

A=20lg(cosθ)优缺点：优点是频带宽，精度高，起始衰减量小，缺点是结构复杂，较昂贵。第72页，共101页，2023年，2月20日，星期六极化吸收式衰减器原理图第73页，共101页，2023年，2月20日，星期六

微带型衰减器

匹配负载

同轴和微带中，匹配负载的电阻通常是50Ω，可以用电阻表测量。集总元件电阻可以用来实现窄带匹配负载。微波工程中，用51Ω贴片电阻实现微带匹配负载。第74页，共101页，2023年，2月20日，星期六PIN二极管电调衰减器

PIN二极管

PIN二极管是在重掺杂P+、N+之间夹一段较长的本征半导体所形成的半导体器件，中间I层长度为几到几十微米。PIN二极管结构示意第75页，共101页，2023年，2月20日，星期六

1.

直流特性在零偏与反偏下，PIN管均不能导通，呈现大电阻；正偏时，P+、N+分别从两端向I区注入载流子，它们到达中间区域复合。PIN管一直呈现导通状态，偏压（流）越大，载流子数目越多，正向电阻越小。

2.

交流信号作用下的阻抗特性

频率较低时，正向导电，反向截止，具有整流特性。 频率较高时，正半周来不及复合，负半周不能完全抽空，I区总有一定的载流子维持导通。第76页，共101页，2023年，2月20日，星期六

3.

微波信号激励时的特性

(1)

直流反偏时，对微波信号呈现很高的阻抗，正偏时呈现很低的阻抗。可用小的直流（低频）功率控制微波信号的通断，用作开关、数字移相等。

(2)

直流从零到正偏连续增加时，对微波信号呈现一个线性电阻，变化范围从几兆欧到几欧姆，用作可调衰减器。

第77页，共101页，2023年，2月20日，星期六

电调衰减器

利用PIN管正偏电阻随电流变化这一特点，调节偏流改变电阻，实现电调衰减器。

1.

单管电调衰减器

在微带线中打孔接一个PIN管，改变控制信号就可改变输出功率的大小。这种结构的衰减器输入电压驻波比较大。第78页，共101页，2023年，2月20日，星期六微带单管电调衰减器第79页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.

π型衰减器

可变衰减器的一个重要特性是它的输入阻抗可保持不变，使得衰减器在整个工作频率范围内保持匹配。 可由pin管的特性产生需要的电阻值第80页，共101页，2023年，2月20日，星期六可变衰减器的一个重要特性是它的输入阻抗保持不变，使得衰减器在整个工作范围内保持匹配。实现的方法之一是图中所示的型网络。

为了匹配，网络阻抗对右侧并联后应该等于，那就是：

衰减比可写为：消去得：从而可得：第81页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.3dB定向耦合器型衰减器

3dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构第82页，共101页，2023年，2月20日，星期六

3.

吸收阵列式电调衰减器

多个PIN管合理布置可制成频带宽、动态范围大、驻波比小、功率容量大的阵列式电调衰减器。PIN管等距排列，但偏流不同。单节衰减器的反射系数和衰减分别为第83页，共101页，2023年，2月20日，星期六

阵列式电调衰减器(a)PIN二极管阵列；(b)反偏或零偏；(c)正偏第84页，共101页，2023年，2月20日，星期六步进式衰减器

1.

固定衰减器＋开关

开关可用PIN二极管实现或使用FET单片集成开关。特点是速度快，寿命长。缺点是承受功率小。

数字程控衰减器，需要把数字信号进行功率放大，以推动继电器或PIN管。开关的驱动电路是程控衰减器的一个重要组成部分。

第85页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关式衰减器

在图1示衰减器中，两个SPDT开关用于在直通线和参考线之间变换信道。如果所需衰减值超过4dB，则可以使用T或Π型电阻网络结构，其中的电阻可以是GaAs台面电阻器或芯片制造工艺中可获得的专用镍铬合金电阻器。Gupta使用的宽带SPDT开关示意图如图2所示。其可用的上限频率由SPDT开关本身的隔离度决定。由于开关不含有任何电容性元件，因此对性能没有下限频率限制。

图1图2第86页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关式比例型FET开关式比例型FET技术在连接输入和输出端口的两条通路上使用了不同尺寸的FET，不使用电阻性网络来获得期望的衰减值，而是利用不同对开关式FET的开状态电阻值之差达到选择的衰减量。因此，该技术适用于达到2dB的较小衰减比特数。对于开关式比例型FET结构，需要加入额外的短传输线节，用于均衡衰减参考通路长度。第87页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关式T型桥衰减器

开关式T型桥衰减器由一个经典的T型桥衰减器和一个并联与串联FET组成，一个开关式FET并联在桥电阻的两端，另一个开关式FET与分流电阻串联。两个FET的开或关实现了零状态和衰减状态之间的切换，其值由T型桥衰减器决定。T型桥衰减器自身提供了良好的输入/输出匹配。

第88页，共101页，2023年，2月20日，星期六开关式T形和Π形衰减器开关式T型和Π型衰减器拓扑结构表现为T型或Π型形式，单个电阻性元件能够开关进入或退出电路。故这一技术也称之为开关式电阻器法。Bedard和Maoz使用Π型结构验证了工作频率达到10GHz的衰减器设计。尽管它与T型桥衰减器结构相似，但是，该技术使用了非常小的FET，与开关式衰减器相比，具有更低的插入损耗。

第89页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2.PIN二极管步进衰减器

PIN二极管电调衰减器的控制电流的改变，能够连续地改变衰减量，将这一控制信号按照一定的规律离散化，可实现衰减量的步进调整。第90页，共101页，2023年，2月20日，星期六FET电调衰减器 利用栅极电压控制来改变FET的电阻，实现对衰减量的控制

PIN二极管在耐功率性能、低损耗等方面有显著的优点，特别是PIN二极管由于其具有极小的寄生电参数，在微波低损耗电路中更显优势，但PIN管构成的电调衰减器在频带范围和衰减量动态范围的调节上远不如GaAsMESFET管构成的有源衰减器。

第91页，共101页，2023年，2月20日，星期六图1T型图2π型第92页，共101页，2023年，2月20日，星期六 电容可认为相当好地不随栅极电压变化

T型结构损耗相对较低，而在动态范围上，π型结构占优

第93页，共101页，2023年，2月20日，星期六第94页，共101页，2023年，2月20日，星期六

2—18GHz，衰减量动态范围12d