微波固态电路第七章

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1、第七章,微波控制电路,主要内容,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,微波控制电路根据其用途分类，主要包括以下三种情况： 微波信号传输路径通断或转换微波开关，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。,7.2 PIN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7.1 PIN二极管结构,PIN结特性,PIN管的工作机理是：在零偏压时，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

2、界附近建立起一电场。由于这一建立起来的电场阻碍空穴和电子继续向I层注入，因此最终会达到动态平衡，因此本征区处于不导电状态，在加反向偏压时，PN结不导电的程度更甚。,图7.2 正反偏置下微波信号作用于PIN二极管,PIN结特性,在正向偏置情况并对轻掺杂N型本征层，流过二极管的电流为 式中，W是本征层宽度；A是截面积； 是过剩的少数载流子寿命，它可以高到1s的量级；ND是轻掺杂N半导体中间层的掺杂浓度；指数项的因子2是考虑到存在有两个结。,（7.1）,PIN结特性,对于纯本征层有 ，式（7.1）可导出如下形式： 由关系 可计算出总电荷。这样就可求出扩散电容： 在反向偏置情况，这时I层的空间电荷长度

3、对电容起支配作用。在小电压下Cj近似为 式中， 是本征层的介电常数。,（7.2）,（7.3a）,（7.3b）,PIN结特性,结论 PIN管在直流电压作用下，零偏压呈现高阻，反向偏压时阻抗加大，正偏时呈现低阻，且偏流越大，阻值越低。在微波信号作用下管子的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。,PIN二极管管芯等效电路,（a）正向等效电路 （b）正向简化电路,（c）反向未击穿时的等效电路 （d）反向击穿后的等效电路 图7.3 实际PIN管的正反相等效电路,常用封装PIN管结构,（a）同轴型结构 （b）梁式引线型结构 图7.4 封装PIN管结构,封装PIN二极管等效电路,（a

4、）正偏时等效电路 （b）反偏时等效电路 图7.5 封装PIN管等效电路,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。,7.3 微 波 开 关,从电路形式分有：串联型开关、并联型开关、串/并联型开关； 从电路性能分有：反射式开关、谐振式开关、滤波器式开关、阵列式开关。,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,

5、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。,（7.4）,插入损耗和隔离度,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，,（7.5）,（7.6）,（7.7）,插入损耗和隔离度,对并联型电路，负偏置状态导纳： 正偏置状态导纳：,（a）正偏等

6、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,（7.8）,（7.9）,开关例题,例7.1 设PIN管的参数如下：Cj=0.5pF，Rf=Rr=1，传输线的特性阻抗Z0=50 ，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。 同理，可求得开关的插入

7、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

8、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,多管单路开关,两管并联组成的并联开关可视为两只级联的PIN管并联开关，其A参数归一化矩阵可写为 根据二端口网络A矩阵与S矩阵的换算关系可得,（dB）,（7.10）,（7.11）,多管单路开关,对两管并联开关：假设两个PIN二极管理想一致， 当PIN二极管工作于高阻时， 取=90，即 时，可得开关插损 当PIN二极管工作于低阻时， 取=90，可得开关隔离度

9、当y1=y2=y时，,滤波器型开关,低通滤波器型PIN管开关,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,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）,（7.12）,（7.13）,（7.14）,MESFET 微波开关,MESFET作微波开关的主要优点是能简化偏置网络，驱动电路功耗小，且具有宽带特性和大的功率容量，并能提供亚毫微秒的速度。 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

10、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,零偏压时管子电流接近饱和电流，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,（7.15）,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,图7.13 MES FET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,图7.15

11、 MESFET开关电路原理图,MESFET开关电路,（a）10W发射-接收开关原理图,（b）高频一周期内漏极、栅极电压波形,MESFET 微波开关,如果考虑FET漏极和源极间电容的影响，则栅-漏之间的阻抗将引入高频电压加在栅压上。由于栅-漏阻抗和栅-源阻抗相等，故漏极电压VD有一半加在栅极上。为了这个引入的VD/2电压不致影响开关的隔离度，因此对漏极电压的幅值应加以限制。 并联FET开关呈现高阻时，对应的栅负偏压绝对值应大于截止电压，但也不能超过击穿电压，因此漏极电压引入到栅极后的关系如图（b）所示，图中画出了漏极电压一个周期内的波形图。漏极最大电压幅值限制的条件为,MESFET 微波开关,可

12、解得 由上式可确定漏极高频最大电压幅值和栅压。然后可计算FET在高阻状态时发射机最大输出功率。设此时FET1的阻抗为 ，可求得最大功率为 设天线阻抗为50，为了阻抗匹配，采用1/4波长变换线段，求得线段的特性阻抗为 发射最大功率为,毫米波开关电路,（a）SPST电路 （b）SPDT电路,毫米波开关电路,Ka-Band GaAs PIN MMIC SPDT SwitchTriQuint,7.4 微波电压控制移相器,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）,微波电压控制移相器,微波集成移相器分类,微波电压控制移相器的基本要求,要有一定的相移量，且移相精度高； 相移

13、变化时要求开关转换时间短，驱动信号功率小； 在工作频带内，输入驻波比低，插入衰减小，且寄生调幅小； 结构小型化，电控性能好。,移相器的技术指标,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。相移精度指标有时采用最大相移偏差来表示，也就是各频率点的实际相移和各步进值的最大偏差值；有时给出的是均方根误差，则是指各步进值相位偏差的均方根值。 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PIN开关的转换时间。 寄生调

14、幅 ：,加载线型移相器,（a）主线安装器件 （b）分支线安装器件 （c）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,（a）移相器电路 （b）、（c）等效电路 微带加载线型移相器,加载线型移相器,从网络的A矩阵出发有 图（b）电路应与图（c）电路等效，而图（c）电路的A矩阵可写为,（7.21）,（7.22）,加载线型移相器,比较两式矩阵元素应相等，可得 由此可求相移量 再比较两式中C/B元素值，可得等效导纳为,（7.23）,（7.24）,（7.25）,加载线型移相器,设计时要求移相器输入端匹配，令 ，于是从上式求得匹配时的电纳值为 解得 实际设计时，给定 、 ，选定，设计相应的 及

15、值，以满足 的要求。因此要推导出 与、 和 之间的关系。,（7.26a）,（7.26b）,加载线型移相器,由等效导纳(7.25)、电纳值（7.26）及三角函数关系，可得,（7.27a）,（7.27b）,加载线型移相器,当 给定，确定Y0后，选择，即可由下式求出Y01。 上面三个公式即为加载移相器的设计公式。,（7.28）,（7.29a）,（7.29b）,加载线型移相器,实际设计时，常常取工作频带的中心频率，取 ，以获得良好匹配。此时,（7.30）,加载线型移相器,当要求B+=-B-时，可推导出 即可满足条件。 由B+和B-可确定Y02。令PIN管理想开路时，等效到主传输线的并联导纳为 ，此时 令PIN管理想短路时，等效到主传输线的并联导纳为 ，此时 上式满足B+=-B-的要求，且 ，当 时，Y02为正值，数值合理，说明设计可行。,加载线型移相器,图7.21 移相器相对带宽与的关系,反射型移相器,图7.2