第7章PIN管微波控制電路7.1

PIN管微波開關7.2

PIN管電調衰減器和限幅器7.3

PIN管數字移相器(調相器)習題微波控制電路的功能包括控制微波信號傳輸路徑的通斷或轉換(微波開關、脈沖調制器)、控制微波信號的大小(幅度調制、電調衰減器、限幅器)及相位(數字移相器、調相器)等。這些電路廣泛應用于雷達、微波通信、衛星通信及微波測量技術等系統中。

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，從而改變電路的參量，如電控衰減器、數字移相器等。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，從而實現對電路的控制，如微波限幅器。

利用PIN管作為控制器件，優點是體積小，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，也將場效應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、衰減器、限幅器和移相器電路的工作原理、性能指標及其對設計的基本要求。2.4.4

PIN二極管

PIN二極管廣泛應用于微波控制電路，具有體積小、質量輕、控制快、損耗小、控制功率大等優點，適用于微波開關、限幅器、可變衰減器、移相器等電路。

1.結構

PIN二極管是在重摻雜的P+和N+區之間加入一個未摻雜的本征層I層構成的，實際上不可能真正實現I層，只能使雜質含量足夠低，如果中間層是低摻雜的P型半導體，稱為PπN管；如果中間層是低摻雜的N型半導體，稱為PνN管。1.結構圖2-44

PIN管管芯結構(a)平面型結構；(b)臺式型結構

PIN二極管是在重摻雜的P+和N+區之間加入一個未摻雜的本征層I層構成的，實際上不可能真正實現I層，只能使雜質含量足夠低，如果中間層是低摻雜的P型半導體，稱為PπN管；如果中間層是低摻雜的N型半導體，稱為PνN管。1.結構圖2-44

PIN管管芯結構(a)平面型結構；(b)臺式型結構

如圖2-44所示，PIN管有平面型和臺式型兩種結構。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散高濃度的硼和磷，分別形成P+和N+區，再蒸發上金屬作為電極，最后光刻腐蝕成臺式管芯，并以二氧化硅低溫鈍化保護管芯；另一種是在一塊N型高摻雜的單晶片上外延一層I層，再在其上擴散一層P+材料形成PIN管芯。1.結構圖2-44

PIN管管芯結構(a)平面型結構；(b)臺式型結構

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實際PIN管和反向穿通特性正偏下---PIN二極管加正向電壓時，P區和N區的多子會注入到I區，并在I區復合。當注入載流子和復合載流子相等時，電流I達到平衡狀態。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當PIN二極管正向偏置時，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，正偏時等效為一個很小的電阻，阻值在0.1Ω和10Ω之間。圖2-45實際PIN管和反向穿通特性零偏下---當PIN二極管兩端不加電壓時，由于實際的I層含有少量的P型雜質，所以在IN交界面處，I區的空穴向N區擴散，N區的電子向I區擴散，然后形成空間電荷區。由于I區雜質濃度相比N區很低，多以耗盡區幾乎全部在I區內。在PI交界面，由于存在濃度差（P區空穴濃度遠遠大于I區），也會發生擴散運動，但是其影響相對于IN交界面小的多，可以忽略不計。所以當零偏時，I區由于存在耗盡區而使得PIN二極管呈現高阻狀態。圖2-45實際PIN管和反向穿通特性反偏下---反偏情況跟零偏時很類似，所不同的是內建電場會得到加強，其效果是使IN結的空間電荷區變寬，且主要是向I區擴展。此時的PIN二極管可以等效為電阻加電容，其電阻是剩下的本征區電阻，而電容是耗盡區的勢壘電容。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。當反向偏壓過大，使得耗盡區充滿整個I區，此時會發生I區穿通，此時PIN管不能正常工作了。圖2-45實際PIN管和反向穿通特性微波特性---①微波信號在正半周時，加在PIN管上的總偏壓處于正向狀態，這時PIN管是導通和低阻的，微波電流將流過PIN管。微波電流也向I層注入電荷。圖2-45實際PIN管和反向穿通特性微波特性---②微波信號在負半周時，由于微波信號幅值很大，PIN管上的總偏壓處反向狀態。反向電場從I層中抽出注入的電荷，能夠抽出的電荷數目為Q2。微波信號在負半周期間被抽出的電荷僅為直流正向偏置的1／20，I層仍然儲存有大量的注入電荷，處于導電狀態，呈現低阻，因此PIN管還是導通的。

2.特性

PIN管的I層厚度一般在幾個到幾百個微米之間，可以看做雙結二極管，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層擴散，在I層由于復合作用而消失。同時，在P層和N層靠近I層的邊界，建立起帶負電和帶正電的空間電荷層，其電場阻擋空穴和電子繼續向I層注入。因此，I層保持本征不導電狀態，PIN管不導通，處于高阻狀態。

(2)正向偏壓。

外加電場方向與勢壘電場方向相反，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層因復合而消失的電荷得到補充。I層存在大量數量相等而極性相反的載流子，呈現導電狀態。宏觀上電流不斷地流過PIN管，PIN管呈現低阻。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、雜質濃度和工藝有關，硅材料PIN管的典型τ值為0.1～10.0μs。式(2-75)可用于計算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。外加電場方向與勢壘電場方向相同時，空間電荷層將變寬，不導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層的導電狀態就完全能夠跟隨信號的周期變化：正半周導通，負半周截止。在直流和低頻偏壓下，PIN管同樣具有整流特性，與PN結變容管相同。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；在反偏壓達到一定程度時，I層完全處于耗盡狀態，結電容相當于以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管可看做是一個恒定電容器件。這是PIN管與PN結變容管的本質區別。

2)微波特性

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

(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層儲存的電荷為Q0=5×10－7C。

增加一個大幅值微波信號，微波電流為I1=50A，現象如下：

①微波信號在正半周時，加在PIN管上的總偏壓處于正向狀態，這時PIN管是導通和低阻的，微波電流將流過PIN管。微波電流也向I層注入電荷。設微波信號的頻率為

f=1000MHz，對應周期為Tw=10－9s，則微波正半周注入的電荷Q1為

②微波信號在負半周時，由于微波信號幅值很大，PIN管上的總偏壓處反向狀態。反向電場從I層中抽出注入的電荷，能夠抽出的電荷數目為Q2。假定處于反偏狀態的時間近似等于，則應有

Q2=Q1=0.25×10－7C

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

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

負半周抽出，無論微波信號的正半周還是負半周，PIN管都不能導通，在整個微波信號周期內呈現高阻狀態。

綜上可知：在直流(或低頻)正向偏壓下PIN管導通，類似于一個線性電阻，對于微波信號正、負半周都是導通的；在直流(或低頻)反向偏壓下，對于微波信號正、負半周都是不導通的。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的通斷。

3)實際PIN管特性

一般地，PIN管的I層含有N型或P型雜質。以I層實際摻有N型雜質的PνN管為例說明其工作過程與理想PIN管的區別。

I層含有少量N型雜質時，就會形成P+N結。這種結的空間電荷層厚度取決于I層內的空間電荷層厚度。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大，且在某一反偏壓UPT時，擴大到整個I層，I層中所有的N型載流子被清除，I層呈現高阻狀態。UPT稱為穿通電壓(一般為－70～－100V)。如果PνN管在直流(或低頻)反向偏壓下呈現高阻狀態，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。這就是實際微波控制電路中必須要有PIN管驅動電路把TTL控制信號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為重摻雜的P+、N+層體電阻和歐姆接觸電阻，Rj為I層電阻，Cj主要是I層電荷儲存效應所引起的擴散電容。隨著正向偏壓的增大，I層處于導通狀態，Rj很快減小到1Ω以下；而Cj的量級為幾皮法(pF)，即使在微波頻率下，其容抗也遠大于Rj，忽略不計。圖2-46

PIN管等效電路2)反偏等效電路

反偏狀態下，I層未被穿通時，I層分為耗盡層與非耗盡層。反偏狀態時的Rj很大，可忽略不計，Cj表示耗盡層勢壘電容，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表示未耗盡層介質電容，其值也小于1pF。當I層穿通后，非耗盡層不存在，Ri的數值變得非常大，可忽略。反向電阻近似為Rs，反向電容近似為一個不變的小電容Cj0。

3)封裝等效電路

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

4.驅動電路

實際工作時，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隔離。直流偏置端可以是脈沖信號，也可以是連續變化信號，以實現不同的微波控制電路，如圖2-48所示。PIN管的控制信號還要進行電壓放大，通常稱為PIN二極管驅動電路。

圖2-49給出一種TTL邏輯信號放大電路。圖2-48

PIN二極管偏置電路結構(a)PIN二極管的串聯；(b)PIN二極管的并聯圖2-49

TTL邏輯信號放大電路

7.1

PIN管微波開關

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，組成開關電路。PIN管開關電路按功能分為兩種：一種是通斷開關，如單刀單擲開關，作用只是簡單地控制傳輸系統中微波信號的通斷；另一種是轉換開關，如單刀雙擲、單刀多擲開關，作用是使信號在兩個或多個傳輸系統中轉換。若按PIN管與傳輸線的連接方式，可分為串聯型、

并聯型以及串／并聯型三種；從開關結構形式出發，可分為反射式開關、諧振式開關、濾波器型開關、陣列式開關等。7.1.1單刀單擲開關

1.開關的正反衰減比

圖7-1為單管串聯型和并聯型開關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納，Z0、Y0分別為傳輸線的特性阻抗和特性導納，a、b分別為網絡的歸一化入射波和反射波。圖7-1單刀單擲開關(a)串聯型原理圖；(b)串聯型等效電路；(c)并聯型原理圖；(d)并聯型等效電路設開關輸入端信號源的資用功率為Pa，輸出端負載吸收功率為PL，則定義開關的衰減L為

若開關網絡用散射S參量來表征，且假設開關插入在匹配信號源和匹配負載之間，則式(7-1)化為(7-1)(7-2)

2.基本原理

如果PIN管正、反偏時分別等效為理想短路和開路，則對圖7-1(a)的串聯型開關來說，PIN管理想短路時，開關電路理想導通；PIN管理想開路時，該開關電路理想斷開。對圖7-1(c)的并聯開關來說，情況相反，PIN管短路，對應開關電路斷開；PIN管開路，對應開關電路導通。

由于PIN管實際上存在有限的電抗及損耗電阻(即封裝參數)，因此開關電路在導通時衰減不為零，稱之為插入衰減；在斷開時衰減也并非無窮大，稱之為隔離度。因為寄生參數的影響，封裝PIN管的等效阻抗是頻率的函數，所以當工作頻率改變時，開關的工作狀態要發生變化。對于并聯型開關，反偏時，若微波頻率恰好等于引線電感LS與結電容Cj的串聯諧振頻率，這時管子不再呈現高阻抗，使微波信號的傳輸產生很大的衰減，開關呈斷開狀態。同樣，正向偏置時，若微波信號頻率恰好等于引線電感LS與管殼電容CP的并聯諧振頻率，則管子不再呈低阻抗，對微波信號的傳輸影響很小，開關呈導通狀態。圖7-2(a)為考慮封裝參數后的并聯型開關的衰減特性?？梢?，并聯型開關有兩個能實現開關作用的區域(圖中陰影區)，它們對應有較大的衰減比。圖中模區Ⅰ稱為“正向?！眳^，相當于理想的PIN管，反偏時為開關的導通狀態，正偏時為斷開狀態；而模區Ⅱ相反，稱為“反向?！?。圖7-2(b)為串聯型開關的衰減特性，顯然它具有三個開關工作區。圖7-2考慮封裝參數后開關的衰減特性(a)并聯型開關；(b)串聯型開關由圖7-2可見，由于封裝參數的影響，對于單管開關無論是串聯型還是并聯型，都只能在固定的某幾個較窄的頻率區間有開關作用，而實際的工作頻率常常不在這些區域。為

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

3.改善開關性能的電路

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

1)諧振式開關

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諧，使開關在PIN管正偏、反偏兩種狀態下分別于指定頻率點，產生串聯諧振和并聯諧振(或反之)。這種開關電路稱為諧振式開關。圖7-3為并聯型諧振式開關的等效電路，虛線框內表示PIN管，RD和XD分別為二極管的電阻和電抗，XS和XP為外接的調諧電抗。在PIN管反偏時調整串聯電抗XS，使它與管子反偏時的電抗量值相等，符號相反，形成串聯諧振。這時PIN管支路的阻抗很低，使開關的衰減很大，形成斷開狀態。而在PIN管正偏時調整并聯電抗XP，使它與管子支路的總電抗量值相等，符號相反，形成并聯諧振，這時開關的阻抗很高，呈導通狀態。這種反偏時呈斷開狀態，正偏時呈導通狀態的諧振式開關，又稱為“反向?！遍_關；反之，則稱為“正向模”開關。

以上這種諧振式開關，只有在窄頻帶內才能實現良好的補償，工作頻帶不寬，多用于窄波段范圍。圖7-3并聯型諧振式開關

2)陣列式開關

一般說來，單管開關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PIN管級聯，組成陣列式開關。

圖7-4為陣列式開關的示意圖。圖7-4(a)為并聯型，由多個PIN管按一定間距L并接于傳輸線構成；圖7-4(b)為串聯型，由多個PIN管按一定間距L串接于傳輸線構成。陣列式開關的分析可歸結為級聯網絡的分析，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滿足，為此設計時必須折中選擇。圖7-4陣列式開關(a)并聯型；(b)串聯型多管陣列式開關與單管開關相比，具有隔離度高和頻帶寬的優點，缺點是所用管子數較多，插入衰減較大，調試也較麻煩。

3)濾波器型開關

圖7-5為PIN管與低通濾波器構成的寬頻帶型開關電路結構示意圖。在低通濾波器的電容塊中心，打孔嵌入PIN管，使PIN管反偏時總電容C和濾波器電容塊的電容C1、C2一起與串聯電感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。這時只要信號頻率低于濾波器的截止頻率，信號功率就可以順利通過，插入衰減很小，形成開關的接通狀態。當正向偏置時，PIN管近似短路，輸入信號幾乎全部被反射，形成開關的斷開狀態。為了增大開關的頻率范圍，常采用未加封裝的PIN管芯，利用管芯反偏時的結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，從而大大擴展了開關的頻率范圍。圖7-5低通濾波器型PIN管開關(a)電路結構；(b)等效電路7.1.2單刀多擲開關

1.單刀雙擲開關

最普通但又最常用的單刀多擲開關是單刀雙擲開關，它把信號來回換接到兩個不同的設備上，形成交替工作的兩條微波通路。其典型例子是雷達天線收發開關，發射機和接收機共用一個天線，由一個單刀雙擲開關來控制。

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

圖7-8給出了共用一個偏壓源的諧振式并聯型單刀雙擲開關的微帶電路結構圖。圖7-7用一個偏壓源控制的并聯型單刀雙擲開關圖7-8諧振式并聯型單刀雙擲開關微帶電路結構圖

2.單刀N擲開關(N>2)

在一些微波系統中，有時需要把一個微波信號換接到多個不同設備上，形成交替工作的多條微波通道，這個功能可由一個單刀多擲開關來完成。單刀多擲開關由若干個單刀單擲開關組成，如圖7-9所示。圖中各單擲開關均為并聯型，它們互相并接于開關接頭P處，如果每只開關中的PIN管安置在離接頭參考面λg／4處，則對理想接通的通道(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(設各通道終端均接匹配負載)；對理想斷開的通道(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，使只有一個通道處于接通狀態，而其余N－1個通道處于斷開狀態，那么輸入端的微波信號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的接通、斷開狀態，就能把輸入端的微波信號換接到各條通道中去。圖7-9單刀N擲開關原理圖7.1.3開關時間和功率容量

PIN管用作開關時，其開關時間必須滿足系統對開關速度的要求，為提高開關速度，應盡量減薄I層，使儲存電荷減少。在這種情況下，開關時間基本上由載流子在I層的渡越時間決定，而與載流子壽命無關。但I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管開關速度受限于兩項極限參數，下面分別加以討論。

1.開關時間

PIN管實質上是一種電荷存儲器件，當它從截止狀態轉向導通狀態時，載流子從P+層和N+層向I層注入。當它從導通狀態轉向截止狀態時，大量載流子從I區逸出，存儲電荷的變化都需要一定的時間才能達到穩定狀態，這個時間就是開關時間。開關時間既和PIN管的性能有關，又和開關的控制電流有關。由于PIN管從截止到導通的正向恢復時間比導通到截止的反向恢復時間小，因此開關時間以反向恢復時間為標志。圖7-10表示PIN管從正偏電流I0突然轉向反偏時的情況。設正偏時I層儲存的電荷為Q0=I0τ，當換成反偏時，I層儲存的電荷一部分被反向電流IR吸出，另外一部分則繼續復合，形成復合電流Q/τ。顯然，單位時間內I層中電荷的減少量等于單位時間內從I層流出的電荷量與復合電荷之和，即(7-3)圖7-10

PIN管的開關時間考慮到t=0時，Q(t)=I0τ，可解得

假設t=ts時，電荷全部清除，即Q(ts)=0，于是得到

所以(7-4)(7-5)當IR>>I0時，開關時間可近似表示為

由式(7-6)可見，當PIN管給定后(τ已定)，加大反向電流IR可使開關時間減少。所以應為PIN管開關制作具有內阻小而又能輸出大的反向偏壓的專門驅動器。(7-6)

2.功率容量

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

率，它不僅與管子的功率容量有關，還與開關電路的類型(串聯或并聯)、工作狀態(連續波工作或脈沖工作)及具體結構(散熱性能)有關。

例如，在連續波工作狀態下，單管并聯型及串聯型電路示意圖如圖7-11所示。圖7-11并聯型和串聯型開關電路(a)并聯型；(b)串聯型圖中，Rs為信源內阻，ZL為負載，Z0為傳輸線特性阻抗，當輸入微波信號幅度為Um時，信源資用功率為

PIN管導通時等效為電阻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的關系；而Pd受限于Pdm，因此并聯型開關在PIN管導通時的功率容量為

同理，可求出串聯型開關在PIN管導通時的功率容量為(7-9)(7-10)

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

因此并聯型開關在PIN管截止時的功率容量為(7-12)(7-11)同理，可求出串聯型開關在PIN管截止時的功率容量為

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

以上是在連續波工作條件下進行的分析。若在脈沖信號工作狀態下，則PIN管導通時能承受的脈沖功率比連續波狀態下要大，但開關的脈沖阻抗比較復雜，在此不予討論。(7-13)

7.2

PIN管電調衰減器和限幅器

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

PIN管正向電阻隨偏流變化特性

PIN管電調衰減器的工作原理、結構形式基本上與開關電路相同，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，在開關電路中偏置是從一個極值跳變到另一個極值(即從正偏的某一個值跳變到負偏的某一值)，以實現開關的“通”、“斷”，而在電調衰減器中，偏置則是連續可變的，即正偏電流連續變比，以實現衰減量的連續可變；②采用的PIN管不同，在開關中為了縮短開關時間，選用I層較薄(幾個微米)的管子，而在電調衰減器中，為了獲得較大的衰減量動態范圍，采用I層較厚(幾十微米)的管子。圖7-1所示的開關電路實質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，可以等效為一個電阻Rf，它的量值隨正偏電流而改變，所以當連續改變PIN管的正偏電流時，可連續控制其反射特性，從而使電路的插入衰減連續變化，起到一個可變衰減器的作用。下面分別討論幾種常用的衰減器。7.2.1環行器單管電調衰減器

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

7.2.2

3dB定向耦合器型電調衰減器

圖7-14(a)為微帶型3dB定向耦合器型電調衰減器的結構示意圖，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，當管子的電阻隨偏流改變時，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，系統的衰減便越大。當Rf=0時，④端輸出的功率為零，由此便構成電調衰減器。這種衰減器由于有1／4波長線段，因而只能工作于窄頻帶。設兩只PIN管的特性相同。②、③端的反射系數為圖7-14

3dB定向耦合器型電調衰減器(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

為了使系統的頻帶展寬、衰減量的動態范圍增大及能夠承受較大的功率，可采用多個并接在傳輸線上的PIN管，管間相互間隔為1／4波長的陣列式衰減器，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，各電阻的阻值發生變化，故為一個電調衰減器。實際應用中，常采用相同的PIN管、但各管偏置不同的漸變元件陣列式衰減器，如圖7-15(b)所示。圖7-15漸變元件陣列式衰減器(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。這時可把衰減器電路分成許多相同的T型節，先分析其單節特性，然后級聯起來，就得到整個陣的特性。

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

于是輸入駐波比為

在工程中通常采用多節級聯。由于輸入駐波比主要取決于前面幾個單節，因此在實際應用中，一般僅把三個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

電調衰減器是利用外加偏置電流來控制其衰減量的，所以有時稱為它控衰減器。在某些情況下，要求微波信號通過控制電路時能自動控制電路的衰減。利用PIN管在零偏加微波信號時的阻抗特性，可實現此目的。因此零偏PIN管常作為雷達接收機高放、混頻前的限幅器。當微波信號超過某一電平后，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層阻抗就會顯著變化，使PIN管對功率反應比較靈敏，因而能夠工作于較低的限幅電平。而對用作功率開關和衰

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管數字移相器(調相器)

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字式兩種，前者的相移量在一定范圍內(0°～180°或0°～360°)連續可變；后者的相移量只能按一定量值作步進改變，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字式移相器。它大量應用在相控陣天線中，用來控制每個輻射單元的相位，實現波束的快速掃描。目前相控陣雷達中，用得較多的是由四個單元組成的四位數字移相器，如圖7-18所示。數字式移相器的主要技術指標是：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7-18四位數字移相器00/22.5000/180000/90000/4507.3.1開關線型移相器

利用PIN管的單刀雙擲開關，使微波信號從兩條電長度不同的傳輸線通過后，可以得到兩種不同的相移量，根據這個原理做成的移相器稱為開關線型移相器。實際上它是一段可開關的傳輸線，圖7-19是它的電原理圖。圖中l為“參考相位通道”，另一條較長的傳輸線稱為“延遲相位通道”。若把參考通道輸出端的微波信號相位定為0°，則延遲通道輸出端的微波信號滯后為(7-19)圖7-19開關線型移相器示意圖(a)開關線相移單元；(b)等效電路式中：Δl為兩條傳輸線的長度差，顯然相移量Δ是頻率的函數，因此這種開關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PIN二極管開關，2個接通，2個斷開。無論在哪種狀態，輸出信號總是通過同樣數量的“接通”開關，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(特性導納為Y0)上接了一段“加有負載”的傳輸線(特性導納為Y01，電角度為θ)，所加負載由并聯分支(特性導納為Y02，電角度為θ)接PIN管構成。如果忽略PIN管的損耗電阻，認為PIN管處在正、反向偏置兩種狀態時都等效為純電抗，則在主傳輸線上將引入不同的并聯電納jB+和jB－，見圖7-20(b)。這兩種情況下移相器等效為不同電長度的傳輸線(特性導納為Y)，從而實現改變相移量(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，然后令兩個矩陣相等，就可得到相應的關系式。

為簡化分析，把PIN管看做是一個純電抗元件。圖7-20(b)所示的移相器是一個三級級聯的兩端口網絡。令移相器輸入、輸出端傳輸線的特性導納為Y0，則其矩陣A為(7-20)圖7-20(c)所示網絡的矩陣A′為

令A=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系，其中φ就是信號通過該移相器的相移。當PIN管在正、反兩種偏置狀態下工作時，并聯電納分別為B+和B－，因而移相器在兩種狀態下的相移變化量為(7-24)(7-25)

實際上一般選擇θ=π/2，同時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納與外接傳輸線特性導納相等，即Y=Y0。因此對式(7-23)、式(7-24)和式(7-25)聯合求解，得(7-26)

由此可見，當加載線的電長度θ=π/2時，兩種相位狀態所要求的并聯電納量值相等，符號相反。對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，例如作90°移相器，則可用兩個45°移相器級聯起來。為縮小體積，常把兩個中間的并聯傳輸線合并為一，成為三個分支的加載線型移相器，如圖7-21所示。對于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。因為θ和jB±都是頻率的函數，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又稱反射型移相器。其原始形式為一環行器，如圖7-22所示。信號自環行器的①端輸入，至②端經PIN管反射后到③端輸出?？刂芇IN管的電抗，就能改變輸出信號對輸入信號之間的相移，但由于環行器價格昂貴，體積、重量大，且環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。輸入信號與輸出信號之間的相位差φ與VD1、VD2的工作狀態有關。在數字式移相器中，每只單元移相器只有兩個相位改變。因此只要使兩個PIN管同時在正偏和反偏下工作，便能使④端口輸出信號的相位改變，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。由于這種電路結構復雜，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—變換網絡；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Γ的相角變化量，其值為

對于180°移相器，PIN管正、反向偏置時的等效電納必須滿足

B+·B－=－1

(7-33)(7-32)即PIN管正