第七章微波控制电路

滤波器型开关 ：用PIN管代替滤波器元件就可构成宽频带
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多管单路开关
90º
Z0 Z0 Z0
90º
Z0
Z0

Y1 Y2
Z0
2V0
（a）并联型开关电路 并联 开关电路
（b）串联型开关电路 串联 开关电路
（c）并联型开关等效电路 并联 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 (PIN管工作于低阻)： 1 1 2 L 10 lg (2 y1 y2 ) cos j(2 y1 y2 y1 y2 )sin 10 lg y1 y2 sin 4 4 2 2 2 900 2 y1 y2 y1 y2 g 10 lg g 10 lg g 6( (dB ) 10 lg 4 2 2

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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 关、阵列式开关。

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单 单 单刀单掷开关（ SPST）
D Z0 Z0 Z0 D Z0
正偏低阻通；（a）串联型 正偏低阻通 反偏高阻断；
Pa ZD Pout
Cp
（a）正偏等效电路 12 /53
（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，Rf=Rr=1Ω，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 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） 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 C p ，令 Ls 0.5nH, C p 0.2pF，当PIN管处于正偏时 Ls 、 为隔离状态 此时容抗很大 可以忽略 PIN管归一化导 为隔离状态，此时容抗很大，可以忽略， 管归 化导 纳为 1 y Z 0Y Z 0 1.23 1 23 j7 j7.76 76 R j L s f
（b）并联型
正偏低阻断； 反偏高阻通；
Pa
YD
Pout
Z0
Z0
Y0
Y0
（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 9 /53
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 管实际上存在有 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： P L a Poutt 式中，Pa ——输入信号的信源资用功率； Pout ——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 Pout 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。
p 是过剩的少数载流子寿命（1s的量级）；ND是轻掺杂N半导 式中， 式中 体中间层的掺杂浓度（若Ｎ为纯本征层，ND ＝ｎｉ）；指数项的因子 2是考虑到存在有两个结，ＶA为正偏电压，VT为零偏势垒。
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q qni2W I A N D p
V eA
2VT
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开关例题


求得并联开关的隔离度约为12.47dB 12 47dB，插入损耗为0.22dB 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 Ls 、C p 组合的并联谐振频率点上，隔离度 C j 组合的串联频率点，插入损耗最大。因此， Ls 、 最差， 改善开关性能的途径 可以人为地外加电抗元件与寄生元 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。
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2
滤波器型开关
PIN 管
（a）微带型电路 插入损 损耗 L(dB)
结构图 传输状态
0 007 0.007 fc f
隔离状态
（b）插入衰减的频率响应
低通滤波器型PIN管开关 17 /53
单刀双掷开关（SPDT）
g
4
A D1 输入 （a）并联型
g
4
D2 B A
g
2
D1
g
2
D2 B
Z D RD jZ D , YD GD jBD 式中 式中，
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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）： 1 YD1 1/( Rr j ) C j 正偏置状态导纳（未考虑封装影响） ： 1 YD 2 Rf
Ls
Rf

Ls Cp
Rr Cj
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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 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 的开关。

：即采用多管单路形式以改善开关的性能。 即采用多管单路形式以改善开关的性能

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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 零偏压时管子电流接近饱和电流 可用电阻表示 R0n ， 即
R0n RC 2( RC 0 R2 R3 )
RC 0为常数，与栅周长、外延层掺杂浓度及其厚度 式中， R2 、 RC 为等效通道电阻。 R3 、 有关；
1
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（微波信号周期远小于少子寿命）。
PIN二极管管芯等效电路 管管 等
正偏状态
反偏状态
Rs
Cj
Rs C j Ci
Ri
Rj
（a）正向等效电路
Rf Rs Rj
（c）反向未击穿时的等效电路
Rr R s C j
微波信号传输路径通断或转换——微波开关，脉冲调制器等 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。
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§7.2 PIN二极管的基本特性 管 特

Байду номын сангаас
PIN二极管结构
P+ SiO2 SiO2
P+ I=N
I=N
N+型基底 N+
2
2

2
2 2 RD X D 10 lg 1 2Z 0 2Z 0
1 Y L并 10lg 10l 10l 1 D =10lg S21 2Y0 并
2
G 2 B 2 10lg 10l 1 D D 2Y0 2Y0
1 a R f Z0 1 1 j 0 R Z 1 j 0 r 2 0 X j 0 2 X R f Rr 1 j 1 2 X j Rf j Z0

将[ a ]矩阵转换为[ S ]后可得插入损耗为：
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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 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（ Vg Vp ），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 线性 作区 不 器件处于导 和截 的哪种状态 均不 需直流偏置功率，因此可归入无源部件类。
输入 （b）串联型
单刀双掷开关
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单刀双掷开关（SPDT）
B1
g
4
g
4
B2 Cp Ls Rf Cs Lp Cp Ls Cj Rr Cs 输入 A （a）等效电路 Z0
Z0
Lp
Lp，Cp可忽略； Ls，Cs串联谐振；
g
A 输入
4
Ls相比于Cj可忽略； Lp，Cj//Cp+Cs并联谐振；
（a）PIN二极管的简化结构 4 /53
（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

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 区边界附近建立起一电场，进而阻碍空穴和电子继续向 起 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； 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 A W是本征层宽度；A是截面积； C j I 是本征层的介电常数 W I 正偏压——空间电荷层变薄，势垒降低，并受外加正偏源的影响，Ｐ层 空穴以及 层电子源源不断向 层注入并复合消失（平均寿命为τ）， 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 ） 形成导通状态（等离子状态）——低阻，偏流越大，阻值越低
L1 10 lg l 1 S 21
2
Rr Z 0 R f Rr Rr l 1 20 lg （dB） 2 2 2 X 2 X 2 Z 0

同理可得隔离度公式：