第七章微波控制电路

第七章微波控制电路主要内容概述PIN二极管的基本特性微波开关微波电压控制移相器微波电调衰减器微波限幅器§7.1引言用途：多波束雷达、相控阵雷达、电子对抗、微波通信、微波测量。器件：微波半导体管和铁氧体。半导体管特点：控制功率小、控制速度快、体积小、重量轻。半导体控制器件：PIN管、变容管、肖特基二极管、场效应管。PIN管：功率容量大、损耗小、开关特性好、电流驱动、功耗偏大、正电压控制。FET：功率容量小、损耗偏大、电压驱动、功耗可以忽略、负电压控制，便于集成。分类：根据其用途，主要包括以下三种：微波信号传输路径通断或切换——微波开关，脉冲调制器等控制微波信号的大小——电控衰减器，限幅器，幅度调制器等。控制微波信号的相位——数字移相器，调相器等。§7.2PIN二极管的基本特性PIN二极管结构（a）PIN二极管的简化结构（b）经台面处理技术加工成的PIN二极管结构图7.1PIN二极管结构

构成：两个高掺杂的P+和N+半导体之间加入一个未掺杂的本征层，即I层，就构成PIN二极管。PIN结特性工作机理：

零偏压——由于扩散作用，P区的空穴和N区的电子分别向I区扩散后复合，这样在I区边界附近建立起一电场，进而阻碍空穴和电子继续向I层注入，最终达到动态平衡——等效为高阻抗。结果：PIN管不能导通。PIN结特性反偏压——空间电荷层变厚，势垒升高，ＰＮ结的不导电程度增加；

——等效为更高阻抗值

W是本征层宽度；A是截面积；

是本征层的介电常数（c）反向未击穿时的等效电路（d）反向击穿后的等效电路Cj是耗尽区电容；Cj是非耗尽区电容无非耗尽区（a）正向等效电路图7.3实际PIN管的正反相等效电路（b）正向简化电路正偏压——空间电荷层变薄，势垒降低，并受外加正偏压的影响，Ｐ层空穴以及Ｎ层电子源源不断向Ｉ层注入并复合消失(平均寿命为τ)，形成导通状态（等离子状态）——低阻，偏流越大，阻值越低

其中Q0为I层储存电荷，I0为正向偏置电流。

为载流子寿命，它与材料和工艺有关，对硅材料为：0.1~10微妙。

低频时，信号周期T>>

，I层的导电状态能跟随信号而周期变化，正半周导通，负半周截止，PIN管和普通PN结二极管一样具有整流作用。不同的是加了一个未掺杂的I层，耗尽层宽度加宽，结电容减小，并能承受更高的反向电压或更大的功率。导通时：

在微波频段，信号周期T远小于载流子寿命

，其导电状态来不及跟随信号正负变化，整流作用消失。

正偏时：产生的偏压电流为I0，且PIN管导通。正半周时，微波电流I1通过PIN管，负半周时，微波信号抽出的电荷Q1仅占储存电荷Q0的很小一部分，不影响PIN管导通，即来不及跟随信号极性的变化。

结论：很小的正向偏置电流就可以使大幅度的微波信号在整个周期内工作于正向低阻状态，PIN管类似于一个线性电阻。

注意：必须有正向偏置电流。

负偏压时，即使微波电压远大于VR，整个周期内PIN管处于反向高阻状态（主要是由于载流子寿命长）。

结论：对PIN管施加较小的低频控制功率，就可以使它控制很大的微波功率，其阻抗主要取决于直流偏置的极性和大小，而与微波信号幅度几乎无关。

低频和微波同时加到PIN管上：§7.3微波开关通断开关，如单刀单掷（SPST）开关，其作用是控制传输系统中微波信号的通断；其典型应用为微波信号源用的脉冲调制器；转换开关，如单刀双掷（SPDT）开关。其典型应用为雷达发射机和接收机共用天线的收发转换开关，以及雷达多波束的转换控制。按电路形式分为：串联型开关、并联型开关、串/并联型开关；从电路性能分为：反射式开关、谐振式开关、滤波器式开关、阵列式开关。按功能：单刀单掷开关（SPST）（a）串联型

（b）并联型（c）串联等效电路（d）并联等效电路单刀单掷开关电路简化图正偏低阻通；反偏高阻断；插入损耗和隔离度PIN管实际上存在有一定数值的电抗及损耗电阻，因此开关电路在导通时衰减不为零，称为正向插入损耗L，定义是开关导通时传到负载的实际功率与理想开关传到负载的功率之比：式中，——输入信号的信源资用功率；

——输出功率。开关在断开时衰减也并非无穷大，称之为隔离度，当为开关断开时负载上的实际功率时，上式表示开关的隔离度。用二端口网络参量表征开关网络特性，则，所以由单元元件S参数（S21）定义，可得串、并联型开关的插入损耗分别是式中，插入损耗和隔离度对并联型电路，负偏置状态导纳（未考虑封装影响）：正偏置状态导纳（未考虑封装影响）：

（a）正偏等效电路（b）反偏等效电路

封装后的PIN管正、反向偏压下的等效电路

开关例题例7.1

设PIN管的参数如下：Cj=0.5pF，，传输线的特性阻抗为50Ω，工作频率f=2GHz。计算开关并联谐振时的插入损耗和隔离度。解根据并联型开关的插入损耗及其正、负偏置状态导纳公式，可求得

L并（插入损耗）≈0.1dB，

L并（隔离度）≈28.3dB

如果考虑PIN管封装后的参数，则在等效电路中引入、，令，当PIN管处于正偏时为隔离状态，此时容抗很大，可以忽略，PIN管归一化导纳为开关例题求得并联开关的隔离度约为12.47dB，插入损耗为0.22dB。由此可见，寄生参量对开关电性能的影响很大，插入损耗由0.1dB增加到0.22dB，隔离度由28.3dB降至12.47dB。性能变坏的原因是由于寄生参量与器件参数组合形成谐振回路，它们的谐振阻抗随工作频率而变化。并联型开关在、组合的并联谐振频率点上，隔离度最差，、组合的串联频率点，插入损耗最大。因此，改善开关性能的途径，可以人为地外加电抗元件与寄生元件调谐，以此改善开关通断比。改善开关特性的电路谐振式开关：即对给定的PIN管及指定的工作频率，外加电抗元件与寄生元件调谐，使开关在PIN管正、反偏状态下分别于指定频率点产生串联和并联谐振（或反之）。缺点：相对带宽较窄。多管单路开关：即采用多管单路形式以改善开关的性能。滤波器型开关：用PIN管代替滤波器元件就可构成宽频带的开关。多管单路开关(a)并联型开关电路(b)串联型开关电路(c)并联型开关等效电路

两只PIN二极管组成的开关电路

双管并联型隔离度L：结论：这种情况下的隔离度近似等于两级单管并联型开关的隔离度之和再加6dB，即可以大大提高开关的隔离度，当然插损也会有增加。

滤波器型开关低通滤波器型PIN管开关

隔离状态结构图传输状态单刀双掷开关（SPDT）单刀双掷开关单刀双掷开关（SPDT）并联型单刀双掷开关等效电路

Lp，Cp可忽略；Ls，Cs串联谐振；Ls相比于Cj可忽略；Lp，Cj//(Cp+Cs)并联谐振单刀双掷开关（SPDT）根据单刀双掷开关的等效电路图，可得出其归一化A矩阵为：将[a]矩阵转换为[S]后可得插入损耗为：同理可得隔离度公式：

（dB）（dB）工作原理：D1正向导通时，D2为反向状态，则信道1被短路而无输出。由于λ/4线的作用，D1短路在分支点A的输入阻抗为开路，对信道2的传输不产生影响。D1反向，D2正向导通时，刚好相反。

当两管都加正偏压时，并接于A、B的两支λ/4线的终端近似于短路，其输入阻抗接近于无限大。从输入口到信道口1的传输不受影响，通路2被短路而无输出。

当两管都加负偏压时，两支λ/4线的终端接近于开路，B点被短路，通道1无输出；B点到A点的路径为λ/4，它在A点的输入阻抗接近于无限大，通道2不受通道1影响；且PIN管开路，对通道2也无影响，故信号从通道2输出。

工作原理：SPDT开关的微带电路结构由于没有采用λ/4线就实现信道的转换作用，因此具有宽的工作频带。串并联二极管SPDT电路串并联二极管SP3T电路及直流偏置开关时间：

指从“开”到“关”与从“关”到“开”所需的时间。这是由于电荷储存效应使开关状态切换时不是瞬时完成，而是需要一个过程。开关时间既和PIN管性能有关，又和开关的控制电流有关。因此，提高开关速度的办法是：选用

小的管子；增大控制电流的脉冲幅度；选用I层较薄的PIN管。

一般情况下，PIN管的开关速度可达ns量级，有些场合对开关时间没有要求。MESFET微波开关优点：能简化偏置网络，驱动电路功耗小，且带宽宽，功率容量大，开关速度快（可达亚毫微秒）。MESFET开关是三端器件，由栅压控制开关状态，典型开关特性是负偏压时（），栅偏压大于截止电压，对应高阻抗状态；零栅压时对应低阻抗状态，都处于器件的线性工作区。不论器件处于导通和截止的哪种状态，均几乎不需直流偏置功率，因此可归入无源部件类。MESFET微波开关零偏压时管子可用电阻表示，即式中，为常数，与栅周长、外延层掺杂浓度及其厚度有关；、、为等效通道电阻。（a）零栅偏压

（b）

简单的FET结构截面图MESFET微波开关高阻状态下的电阻为高阻状态下的电容为

（a）高阻状态等效电路（b）简化等效电路

MESFET高阻抗状态下的等效电路

MESFET微波开关FET负栅偏压与通道电阻RCH的关系

MESFET开关电路图10W发射-接收开关原理图

FET断

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

并联型SPDT

串联型

并联型

l/4，50W

§7.4微波电压控制移相器作用：利用偏压控制半导体元件的状态，以改变微波信号的传输相位。实现方式：混合集成方式微波单片集成电路（MMIC）方式微机械系统技术（MEMS）半导体元件：PIN管、变容管、FET管技术指标

工作频带：指移相器的技术指标下降到允许边值时的频率范围。相移量：指输入信号和输出信号的相位差。相移精度：对于一个固定频率点，相移量各步进值围绕各中心值有一定偏差；在频带内不同频率时，相移量又有不同数值。衡量指标：最大相移偏差或均方根误差。移相器开关时间：移相器是由微波开关构成，所以移相器的开关时间基本上取决于开关器件(PIN或FET)的转换时间。寄生调幅

：驻波比；插损；结构尺寸；分类微波集成移相器分类

模拟式：相移连续可调，控制电路设备较复杂，要求精度不高时，可手动调节。数字式：相移是阶跃变化，是量化的，通常采用二进制数字电路来控制。

如两个移相器状态分别为（0。,90。)和（0。，180。），则组合后可得（0。，90。，180。，270。）四种状态，这是二位移相器。如果是四位移相器，则步进相位为22.5。。分类：加载线型移相器主线安装器件分支线安装器件变化分支长度型加载线型移相器的几种类型加载线型移相器相移量：（a）移相器电路（b）、（c）等效电路微带加载线型移相器

实际设计时，给定、，选定θ，设计相应的及值，以满足的要求。反射型移相器反射型移相器电原理图

反射型移相器两种典型反射型移相器原理图

开关网络移相器相移量：开关式移相器平衡式移相器——减少寄生调幅引起的相位误差

平衡式调相器（中心频率时）(a)D1短路，D2开路(b)D2短路，D1开路平衡式调相器（两种状态下插损理论上相等）短路开路§7.5微波电调衰减器定义：用电信号控制衰减量的衰减器。用途：电路系统的自动增益控制、功率电路的电平控制、放大器增益变化的温度补偿等调节方式：连续可调（电控信号大多是连续可调的，以实现衰减量的连续可调）数字式离散调节；五比特衰减器:0.5,1,2,4,8采用的半导体元件：PIN二极管或各种三极管。衰减器的主要技术指标衰减动态范围：指最大衰减量（用dB表示）和最小衰减量（用dB表示）之差。衰减线性度：衰减与外加偏压呈线性关系。驻波比：反射型衰减器驻波比很差，需外加隔离器使用。吸收型衰减器驻波比好，性能优越，是目前应用广泛的商品电调衰减器。衰减频带与平坦度：电调衰减器的衰减频带是指在频带内各频率点处的衰减量一致，在衰减量改变时，仍能保持均匀衰减。平坦度是指工作频带内衰减量的起伏，经常用最大起伏来表示平坦度的优劣。功率范围：电调衰减器承受功率的范围。

PIN二极管衰减器电控衰减器按照产生衰减的物理原因可分成反射型和吸收型。在反射型衰减器中，衰减主要由PIN管的反射形成，在吸收型衰减器中，衰减则主要由PIN管的损耗形成。图中网络的衰减为式中，为网络的反射损耗，为网络中管子的吸收损耗。电控衰减机理：PIN管在较小正偏压下，正向电阻随正向偏流的增大而减少

衰减器原理图

典型的电调衰减器电路

π型电阻衰减器图中电阻R1和R2分别代表三个PIN管，从AA

截面向右看的阻抗为ZA，为了实现输入端匹配，则应有

PIN管连成的π形衰减器等效电路式中，

调节正偏压，使得R1、R2发生变化，进而使得输出电压随之改变典型的电调衰减器电路

窄频带匹配型衰减器由相同的PIN管组成的如图所示的衰减器电路，在中心频率上，正偏时其反射为零，即不论Rf为何值，输入端始终匹配，因此这种电路称为匹配型衰减电路。窄带匹配型衰减器原理图

调节正偏压，使得I0（↑），Rf（↓），衰减量增加。典型的电调衰减器电路3dB定向耦合器型电调衰减器

3dB定向耦合器型电调衰减器调节正偏压，使得I0（↑），Rf（↓），衰减量增加。典型的电调衰减器电路三路混合式电控衰减器1、调节正偏压，使得I0（↑），Rf（↓），衰减量增加。2、D1和D2引起的反射在输入端口反相相消，使输入匹配。典型的电调衰减器电路并联PIN管阵列衰减器等效电路单节等效电路渐变元件阵列式衰减器渐变元件阵列式衰减器1、处在前面的PIN管阻抗搭，减小反射；2、多节衰减器的反射在输入端可部分相消，减小驻波。§7.6微波限幅器主要指标：门限电平P0——当Pin<P0时，Pout∝Pin；Pmax

>Pin>P0时，Pout~P0;插入损耗——当Pin<P0时，输入输出功率比；隔离度——Pmax

>Pin>P0时，输入输出功率比；Pin

=Pmax时有最大隔离；工作频带——满足各项限幅指标的工作频率范围；平坦泄露功率——输入信号为脉冲时，限幅器的门限电平；尖峰能量——输入信号的最大功率能量；恢复时间——从输入脉冲信号结束到插损I恢复至I0（Pin=P0）+3dB时的时间；可用元件

肖特基势垒二极管；变容管；PIN管；作用：对小功率信号几乎无衰减地通过，而对大功率信号产生大的衰减，信号愈强，衰减越大。限幅器工作原理利用在微波频段内具有整流作用的二极管，通常为肖特基势垒二极管1、当信号电压小于二极管导通电压（对硅管，约为0.7V），二极管不导通，呈现高阻，信号不受衰减。2、当信号正半周电压超过时，二极管导通呈现低阻，使信号削波。3、负半周信号被反极性二极管削波，从而完成限幅作用。

局限性：1、为了使二极管有充分快的转换时间，空间电荷层必须很薄，结电容必须小，结面积也必须小（必须采用可工作在设计频率的二极管），体积小，不能承受大功率信号。2、限幅时产生高次谐波，系统应用中应考虑它的影响。变容管限幅器1、小信号时两个变容管反极性并联电容之和，与电感L产生并联谐振而呈现高阻，信号无衰减传输。2、大信号时，变容管结电容随输入信号幅度的增加而减小，原来的并联谐振电路失谐，产生反射，将输入信号衰减后输出。工作原理：①必须采用小电容变容管，功率容量受限。②反应速度快（转换时间小）。特点：三、采用PIN管

高电平微波电压激励时，在RF信号正半周，空穴和电子分别从P层和N层向I层注入。在负半周，注入的载流子大部分被吸出，但不是全部，I层有电荷储存。经过几个RF周期后，I层电荷储存达到平衡，呈现很低的微波阻抗，使大的RF信号受到限幅。工作原理：1、PIN管不是通过对RF信号整流，使RF信号削波产生限幅作用，而是通过对I层导电性能调制而产生限幅作用，只需要一个PIN管就可以使信号正负周都起作用。

2、必须提供直流通路，因为注入I层的两种载流子连续不断复合，产生一个方向与二极管的正向电流相同的直流电流在外电路的流通。否则I层就得不到载流子补充，就不会导通，失去限幅作用。3、小信号时电路是匹配的。大信号时，负载被旁路，使信号产生反射而限幅。注意：提高限幅器输入驻波比的方法3dB电桥限幅器加匹配电阻的级联限幅器

电路原理图未限幅时等