《微波电路基础》课件第11章

第11章PIN管与微波控制电路

11.1PIN管的结构与特性

11.2PIN微波开关

11.3PIN电调衰减器与限幅器

11.4PIN电调移相器11.1PIN管的结构与特性

PIN管芯结构如图11-1-1所示。图中，在P+和N+中间夹一较厚的I层(几微米到几十微米量级)。在零偏及反偏的情况下，管子不导电。正向偏置时，正负载流子在电场力的作用下，源源不断地分别从P＋区和N+区注入到Ｉ区并在中间复合，呈良导电特性。其正向电阻为

(11-1-1)图11-1-1PIN管芯结构式中，Ｄ为I区厚度，n为掺杂浓度，Ａ为截面积，μn和μp分别为电子和空穴的迁移率，τ为载流子寿命，I0为偏流。在一定的结构和掺杂浓度下，正向电阻Rf与I0成反比。

当管子两端加交流电压时，频率较低呈整流特性，正向导通，反向截止。在微波频率时，由于电压变化很快，正半周载流子不能在I区完全复合，负半周又来不及完全抽回，因此总有一部分载流子存在I区。电压越高，I区的载流子数越多，导电性越好。若在直流偏置的同时又加微波信号，则即使微波信号很大，在半个周期内对I区载流子数的影响也很小，导通特性完全受直流控制。正是由于这一特性，我们可以使用小直流、脉冲信号和其他低频时变信号控制PIN管来构成各种微波信号控制电路。

11.2PIN微波开关

1.PIN的开关特性

当微波频率较低时，寄生参数的影响较小，只要控制电压(流)是正向的，管子就导通，反向或零偏时管子不导通。当微波频率升高时，寄生参数的作用不可忽略，串联电感Ls和反向结电容发生串联谐振，其频率fs在附近，反向偏置时导通。同时只要使封装电容Cp和Ls并联谐振，即fp=

≈fs，正向也可以截止，此即PIN管的反向工作区。也可以人为从外部给PIN管串联或并联合适的电抗，把导通和截止调整到所希望的频率范围，构成谐振式开关。总之，在直流或脉冲信号的控制下，PIN管可以在指定频率范围内对微波呈通-断的开关特性。

2.PIN开关电路

(1)单刀单掷开关：等效为一个断开或闭合的闸刀开关，有串联式和并联式两种类型，如图11-2-1所示。

①串联式：导通，P2=P1；截止，P2=0。

②并联式：导通，P2=0;截止，P2=P1。图11-2-1PIN开关(单刀单掷)

(2)单刀双掷开关：也有串、并联两种形式，如图11-2-2所示。

①串联式：VD1通、VD2断，P2=P1，P3=0;VD1断、VD2通，P2=0，P3=P1。

②并联式：VD1通、VD2断，P2=0，P3=P1;VD1断、VD2通，P2=P1，P3=0。

管子的通断由偏置电路提供的电流脉冲控制。图11-2-2PIN双刀双掷开关

(3)复合式单刀双掷开关：把串联和并联开关组合在一起，多管并用，可以增大功率容量，提高隔离度，如图11-2-3所示。图11-2-3组合滤波式微带单刀双掷开关其开关特性为：

VD1通，VD3、VD5断，VD2断，VD4、VD5通，P1=Pin，P2=0。

VD1断，VD3、VD5通，VD2通，VD4、VD5断，P1=0，P2=Pin。

图11-2-3中，并联段的传输线加宽，断开支路的对地电容很大，具有低通滤波作用，可加大隔离度。

PIN管结合传输线的特性还可设计出很多功能复杂的微波开关。其优点是可用偏置控制电流脉冲快速、灵活地控制微波信号通道，转换速度从几微秒到几十毫微秒。

11.3PIN电调衰减器和限幅器

由式(11-1-1)可知，PIN管的导通电阻Rf与控制电流I0成反比。改变控制电流I0，可使其对微波信号的电阻在很大范围内变化，从零点几欧姆直到无穷大，恰似一个电控电位器。各种电调衰减器电路都是根据这一特性构成的。

(1)图11-3-1所示为环形器单管电调衰减器。衰减量为

(11-3-1)

式中，通过改变I0可改变LA。图11-3-1环形器单管电调衰减器

(2)3dB分支移相桥式电调衰减器如图11-3-2所示。其衰减量为

(11-3-2)

两管偏置受同一偏置同步控制，可均匀、大范围调节衰减量。图11-3-23dB分支移相桥式电调衰减器

(3)图11-3-3是吸收阵列式电调衰减器。这种衰减器的各管Rf取不同的值，如

靠前的管子取较大的电阻可使各管承受功率均匀分配且反射较小。因为衰减功率全部被管子吸收，所以应使用较多管子以使它们不易被烧毁。图11-3-3吸收阵列式电调衰减器

(4)如果不用外加I0控制Rf，而是直接利用微波信号强弱调节Rf变化，信号强时Rf小，信号弱时Rf大，这就是微波限幅器。强信号使Rf变小，而衰减加大，从而会自动限幅。

(5)如果控制偏置的是调制信号，则Rf随调制信号变化，用合适的电路可使微波信号幅度与调制信号强弱成比例变化就可构成微波调制器。

11.4PIN电调移相器

(1)图11-4-1所示为开关式移相器。图中，VD1、VD2通，

VD3、VD4断，信号走上路；VD1、VD2断，VD3、VD4通，信号走下路。两路相位差为Δφ=β(l2－l1)，VD1、VD2、VD3、VD4均为PIN管，其偏置用脉冲同步控制。图11-4-1开关式移相器

(2)图11-4-2为加载线型移相器。当PIN管处在通、断两种不同状态时，并联加载线呈B+和B－两种不同的电纳，输出信号在两种不同状态的相位差为

(11-4-1)

相移量小于时：

(11-4-2)

加载线型移相器串联时，相移量相加。图11-4-2加载线型移相器

(3)图11-4-3所示的定向耦合器型移相器也称为0-π移相器。3dB耦合器在PIN管的通、断两种不同状态下反射系数的相位差为

(11-4-3)

只要满足B+·Ｂ－＝－1，就有：

而该条件通过阻抗变换很容易实现。图11-4-3定向耦合器型移相器

(4)图11-4-4所示为一种组合式数字移相器。该移相器将不同相移量的移相器组合在一起，可实现电控多位数字移相。图11-4-4所示的移相器可实现0°~360°范围内每间隔为22.5°