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1、第七章第七章 微波控制电路微波控制电路1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控制微波信号的幅度大小电控衰减器，限幅器等。控制微波信号的相位数字移相器。7.1 引言引言2PIN二极管结构 7.2 PIN二极管的基本特性3PIN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，不导电的程度更甚。但是在微波频率的特性却有很大差别。正反偏置下微波信号作用于PIN二极管
2、PIN结特性结特性4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。 5（a）正向等效电路 （b）正向简化电路，定性分析时可等效为短路（c）反偏（I层未全部耗尽时）等效电路 （d）反偏（I层全部被耗尽）等效电路 定性分析时可等效为开路 PIN二极管管芯等效电路二极管管芯等效电路6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
3、收机共用天线的收发转换开关。从电路形式分有：串联型开关、并联型开关、串/并联型开关； 7.3 微波开关微波开关7（a）串联型 （b）并联型 单刀单掷开关（单刀单掷开关（SPST）8PIN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。 插入损耗和隔离度插入损耗和隔离度9串联型：单刀单掷开关设计单刀单掷开关设计通：断：插损小电阻小器件截面积大隔
4、离度电容小 器件截面积小单刀单掷开关的设计要在隔离度和插损间折衷考虑单刀单掷开关的设计要在隔离度和插损间折衷考虑10（a）串联型 （b）并联型 （c）串联等效电路 （d）并联等效电路 插入损耗和隔离度计算插入损耗和隔离度计算用二端口网络参量表征开关网络特性，则 ，所以 11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，插入损耗和隔离度计算插入损耗和隔离度计算12多管单路开关 ：即采用多管单路形式以改善开关隔离度。改善开关隔离度（a）并联型开关电路 （b）串联型开关电路两只PIN二极管组成的开关电路 13两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
5、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） 多管单路开关插入损耗和隔离度14单刀双掷开关（单刀双掷开关（SPDT）技术指标：插损、隔离度。发射电路低频信号天线接收电路低频信号开关15SPDT开关设计开关设计设计目标：插损小、隔离度大。并联型：插损小电容小器件截面积小隔离度大电阻小器件截面积大SPDT开关的设计要在隔离度和插损间折衷考虑开关的设计要在隔离度和插损间折衷考虑16单刀双掷开关（单刀双掷开关（SPDT）17吸收式开关（吸收式开关（SPDT）反射式开关：断开时能量反射回去吸收式开关：断开时能量被吸收掉吸收负载输入开关输出18开关的其他技术指标开关时间：微波开关
6、的开关时间大约在几十 ns量级。功率容量：定义了开关所能通过的最大微波 功率，超过这一功率开关可能会 被烧掉。19MESFET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，均不需直流偏置功率，因此可归入无源部件类。 MESFET 微波开关20MESFET开关电路原理图 21（a）10W发射-接收开关原理图 22（a）SPST电路 （b）SPDT电路 毫米波开关电路 毫米波开关电路毫米波开关电路232425微波集成移相器分类 7.4微波电压控制移相器26要有一
7、定的相移量，且移相精度高； 相移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； 结构小型化，电控性能好。微波电压控制移相器的基本要求27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开关的
8、转换时间。 寄生调幅 ： 移相器的技术指标28（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加载线型移相器29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 30比较两式矩阵元素应相等，可得 由此可求相移量 31反射型移相器电原理图 反射型移相器反射型移相器32两种典型反射型移相器原理图 33设D1和D2正偏时呈现电阻 ，反偏时呈现电抗 （结电容 ，忽略电阻 ）。计算器件在两种状态下的反射系数为 和 ，两者的相移为34开关网络移相器开关网络移相器35由 型网络组成的开关网络移相器 36根据网络的归一化A矩阵，有 式中， 和 分别为电
9、抗和电纳的归一化值。网络的传输系数S21用归一化A矩阵参数表示为 传输线相位为 37当开关转换时，低通滤波网络变为高通滤波网络， 和 同时改变符号，相移的大小不变，但符号改变。38用电信号控制衰减量的衰减器称为电调衰减器。在电调衰减器中，电控信号大多是连续可调的，以实现衰减量的连续可调。电调衰减器主要用于电路系统的自动增益控制、放大器增益变化的温度补偿等。电调衰减器既可以是连续可调的，也可以是数字式的。电调衰减器可以采用PIN二极管或各种三极管来实现。 7.5微波电调衰减器39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
10、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，应用广泛。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。 衰减器的主要技术指标衰减器的主要技术指标40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。图中网络的衰减为衰减器原理图 PIN二极管衰减器二极管衰减器41 型衰减器型衰减器图中电阻R1
11、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管连成的形衰减器等效电路 式中， 典型的电调衰减器电路典型的电调衰减器电路42令型电阻网络的输入电压与输出电压之比为K，其化简后的结果为电阻R1和R2的值可以用特性阻抗Z0和K值表示为 43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。 窄频带匹配型衰减器窄频带匹配型衰减器 443dB定向分支线耦合器型电调衰减器定向分支线耦合器型电调衰减器 45三路混合式电控衰减器三路混合式电控衰减器 46（a）并联PIN管阵列 （b）衰减器等效电路 （c）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 47限幅器是一种自控式衰减器，其衰减量由微波信号本身来控制理想的限幅器在低输入功率时没有衰减，当输入的微波信号功率超过某一规定功率（门限功率）时，产生很大衰减。限幅器输出功率的上限基本保持在门限功率附近。 7.5微波限幅器48限幅器门限电平插入损耗隔离度主要技术指标主要技术指标49
