Pin衰减器研究

PIN 管电调衰减器设计

一． 概述

本文描述了PIN 管电调衰减器的技术指标、工作原理和功能，内容涉及电路设计方法分析，关键器件选型，计算机仿真设计，并结合成本与设计难度等因素，给出了初步的设计方案。 1．引言

偏流控制的可变衰减器是重要的微波控制器件，主要用于电路系统的自动增益控制、功率电路的电平控制、放大器增益变化的温度补偿以及收、发电路的隔离保护等。而电调衰减器的关键器件是PIN 二极管，它开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大，因此在射频高功率电路中经常采用PIN 管。 2．技术指标

工作频带

1930~1990MHz 衰减动态范围 0~20dB 插入损耗 1.5dB 回波损耗

<-14dB 衰减平坦度

1dB

二． PIN 管基本特性

电调衰减器的关键器件是PIN 二极管，它主要是利用PIN 管的特性来工作的。 PIN 管在射频信号与直流偏置同时作用时，其所呈现的阻抗大小主要决定于直流偏置的极性及其量值，而几乎与射频信号的幅度无关。因此PIN 管可以用很小的控制功率来控制很大的射频信号功率。

.PIN 管在正向偏置时的等效电路如图1所示：

s R 的值很小，约在1欧姆左右；j C 为节电容；而j R 的数值与偏置电流有关，当偏置电流

为零时，j R 阻值呈现高阻抗，随着正偏电流的增大，j R 很快下降，当正偏电流继续增大时，

j R 继续减小并趋近于零。

利用PIN 管正向电阻随偏置电流变化的特性，便可做成各种类型的电调衰减器。电调衰减器按产生衰减的物理原因可分成两类：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。

j R

j C

s R

三． 电路设计方案分析

构成电调衰减器的电路类型很多，如两管匹配型衰减器，支路混合衰减器，3分贝定向耦合器型电调衰减器，平衡式电调衰减器，和吸收阵列式可调衰减器。利用下图所示的方法可以设计出非常简单的单一PIN 二极管衰减器。不过，在这样的设计中，很难达到良好的阻抗匹配，因为二极管的阻抗会明显随着偏压而改变。

又由于两管匹配型衰减器工作频带窄，支路混合器型电调衰减器的工作频带也受到功分器带宽的限制，吸收阵列式可调衰减器所用PIN 管数量多，成本高，综合以上考虑，本文提供两种电调衰减器的设计方案，即3分贝定向耦合器型电调衰减器和平衡式电调衰减器，这两种电调衰减器都采用了耦合元件，可有效的改善整个频带的VSWR 。 1． 3分贝90度电桥型衰减器

下图为典型的3dB 电桥型电调衰减器的电路原理图。Port1为信号输入端，Port2为隔离端，另外两端为直通端和耦合端。

当理想的3分贝90度电桥各端接特性阻抗Z0时，输出端反射系数为0，（0=Γc ）输入端的功率在直通端和耦合端平分输出（相位相差90度），隔离端无输出，如果把隔离端作为输出端，则等效为无限大衰减；如果接在耦合端口的阻抗相等但不等于Z0时，则进入耦合端的功率将部分的反射回去，两路反射信号在隔离端同相合成，在输入端相位相差180°，互相抵消；如果完全反射（1=Γc ），则信号在隔离端完全输出，形成零衰减。现在把Port2

作为输出端口，在两耦合端分别接上受正向偏流控制的PIN 管，当管子的电阻随偏流改变时，输出端口的输出功率便随之改变，从而构成电调衰减器。只要两耦合端口所接的PIN 管一致性好，那么反射到输入端口的信号总能抵消，因此采用3分贝90度电桥结构大大提高了电调衰减器输入端口的匹配性能。

为了定量的描述衰减器的衰减特性，采用双端口网络方法进行分析，将上图变换为下图形式，整个双端口网络可以看成是AA,BB,CC,DD,EE,FF 子网络的组合。

经过AA,BB,CC,DD,EE,FF 子网络ABCD 矩阵的级联，易得网络GG 的ABCD 矩阵为：

[]⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=20

0213

0010222R jZ Z

j R R jZ jZ R jZ GG ABCD

换算成Y 矩阵得：

[]⎥⎥

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎢⎣⎡

++--

+-+=2021220210212

02102

12

2112)

(2)(22Z R R R Z R R Z R jR Z R R Z R jR Z R R R GG Y

又FF 子网络的Y 矩阵为：

[]⎥⎥⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎣⎡

=0000Z j Z j FF Y

可得整个双端口网络Y 矩阵为：

[][][]⎥⎥⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++-+-+=+=2

0212

20210212

020210212

02

211

2)

()()()(2Z R R R Z R R Z R R Z j Z R R Z R R Z j Z R R R GG FF Y Y

Y rk TotalNetwo

最后换算为S 矩阵，可得：

[][][]⎥

⎥⎥

⎥

⎦⎤

⎢

⎢⎢⎢

⎣⎡++-++-++-++-=+=))(()())(()())(()())(()(02012100201202102012

0210201

120Z R Z R R R Z Z R Z R Z R R j Z R Z R Z R R j Z R Z R R R Z GG FF S Y

Y rk TotalNetwo 则衰减器的衰减量为：)

)((202002012

2121

Z R Z R Z R R Log

S Log L ++--=-= 如果PIN 管的一致性很好，则R1=R2，设L Z R R ==21，则衰减器的衰减量为：

20Z Z Z Z Log

L L L +--= （1）

下图便是衰减器衰减量随PIN 管等效电阻变化曲线图。

但是从图中可以看出当L Z 接近特性阻抗50欧姆时，衰减曲线下降的很快，当衰减量大于20dB 时，就会影响衰减量设置的精确性；而且在闭环控制系统中，如AGC ，衰减曲线斜率正负的变化对控制的稳定性影响较大，考虑以上因素，采用下图所示的改进电路：