雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第6章 微波控制器件

第6章微波控制器件6.1概述6.2PIN二極管6.3PIN管開關(guān)6.4PIN管移相器6.5PIN管電調(diào)衰減器6.6PIN管限幅器小結(jié)

6.1

概

述

微波控制電路及器件的端口包括輸入/輸出射頻(微波)信號的射頻端口及輸入低頻控制信號的控制端口，如圖

6-1

所示。

圖

6-1

微波控制電路原理圖

對應(yīng)不同的用途，微波控制器件的種類有以下三種：

(1)

控制微波信號傳輸路徑通斷或轉(zhuǎn)換的器件，如微波開關(guān)、脈沖調(diào)制器等。

(2)

控制微波信號大小的器件，如電調(diào)衰減器、限幅器、幅度調(diào)制器等。

(3)

控制微波信號相位的器件，如數(shù)字移相器、調(diào)相器等。

微波控制電路的各種控制功能是通過控制元件實現(xiàn)的。目前采用的控制元件主要是微波半導(dǎo)體器件和微波鐵氧體器件。由于半導(dǎo)體器件具有控制功率小、控制速度快以及體積小、重量輕等優(yōu)點，因此它在微波控制電路中的應(yīng)用要比鐵氧體器件廣泛得多。微波半導(dǎo)體器件主要有

PIN二極管(簡稱

PIN管)、變?nèi)荻O管和肖特基二極管等。由于

PIN管具有可控功率大、損耗小以及在正反向偏置下都能得到近似短路和開路的特性，所以在絕大多數(shù)的控制電路中都采用

PIN管。鑒于這種情況，本章只討論

PIN管控制器件。而各種類型的

PIN管控制器件，就其本質(zhì)來講，都是利用

PIN管的阻抗變化特性實現(xiàn)控制功能的，故本章首先介紹

PIN管的特性，然后介紹用

PIN管構(gòu)成的幾種微波控制器件。

6.2

PIN二極管

PIN二極管是微波控制器件中常用的二極管。PIN管的管芯結(jié)構(gòu)如圖6-2

所示。它是在重?fù)诫s的

P+型和

N+型半導(dǎo)體中間夾一層電阻率很高的本征半導(dǎo)體I層，故名

PIN管。實際上由于材料和工藝的原因，中間層不可能做成理想的本征半導(dǎo)體，所以真正的

I

層是不存在的，它含有少量的雜質(zhì)，常用的

I

層是低摻雜的

N層。I

層使二極管極間電容減小，擊穿電壓提高。

圖

6-2(a)所示是臺式結(jié)構(gòu)

PIN管，通常封裝在圓柱形管殼中，適用于微帶電路中的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，需在微帶基片上打孔鑲嵌，也有的封裝成平面引線結(jié)構(gòu)，適用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)。梁式引線平面結(jié)構(gòu)

PIN管如圖

6-2(b)所示，也適用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，它屬于無封裝結(jié)構(gòu)，沒有管殼分布參數(shù)的有害影響，可以用于微波高頻段。

圖

6-2

PIN管的管芯結(jié)構(gòu)

1.

不同外加電壓作用下

PIN管的特性

1)

直流電壓作用下

PIN管的特性

PIN管的直流伏安特性與

PN結(jié)二極管的類似。PIN管的阻抗隨外加偏置電壓(偏壓)而變化，直流電壓作用下

PIN管的伏安特性曲線如圖

6-3

所示。由圖

6-3

可見，當(dāng)偏壓為正時，PIN管的電流增加，阻抗降低；當(dāng)偏壓為負(fù)時(即反向偏壓時)，PIN管的電流很小，阻抗變大。

圖

6-3

直流電壓作用下

PIN管的伏安特性曲線

2)

交流電壓作用下

PIN管的特性

PIN管在交流電壓作用下的特性與頻率有關(guān)。

在低頻段，由于交流信號的周期很長，載流子進出

I

層的渡越時間與之相比可以忽略，因此，PIN管在交流信號正半周的特性與施加正向直流偏壓時的特性相同，呈現(xiàn)低阻抗特性，在交流信號負(fù)半周的特性與施加反向直流偏壓時的特性相同，呈現(xiàn)高阻抗特性。所以，PIN管在低頻段類似于普通

PN結(jié)二極管，具有明顯的單向?qū)щ娦?，可作為整流元件。PIN管在低頻交流電壓作用下的單向?qū)щ娦匀鐖D

6-4

所示。

圖

6-4

PIN管的低頻交流電壓作用下的單向?qū)щ娦?/p>

隨著信號頻率的升高，PIN管的單向?qū)щ娦灾饾u降低，整流作用逐漸變?nèi)酢Ｗ詈?，?dāng)信號頻率足夠高時，如

100

MHz，PIN管在交流信號正半周的阻抗與負(fù)半周時的基本相同，此時整流作用完全消失，PIN管類似一個線性元件。

這是因為信號頻率足夠高時，周期很短，當(dāng)正半周電壓加在

PIN管上時，正負(fù)載流子由

P+、N+層向

I

層流入，當(dāng)正負(fù)載流子還未復(fù)合時，外加電壓極性已經(jīng)改變，即外加電壓變成了負(fù)半周，在反向電壓作用下，正負(fù)載流子又從

I

層返回

P+、N+層，即有大的反向電流流過

PIN管，由于外加電壓周期很短，載流子注入

I

層和返回

P+、N+層很快，但是注入和返回過程又都不是完全的，I

層始終含有相當(dāng)數(shù)量的載流子，因此

PIN管既不是完全導(dǎo)電也不是完全截止的。在高頻交流電壓作用下

PIN管整流失效示意圖如圖

6-5

所示。

圖

6-5

在高頻交流電壓作用下

PIN管整流失效示意圖

3)

交直流電壓作用下

PIN管的特性

圖

6-6

所示為微波信號作用在正偏

PIN管的情況。下面結(jié)合圖

6-6

分情況討論。圖

6-6

微波信號作用在正偏

PIN管的情況

首先，考慮只有正向偏置(正偏)的情況。PIN管正偏時，呈低阻抗?fàn)顟B(tài)，其量值決定于偏置電流

I0

。

其次，考慮加入微波信號后的情況。設(shè)微波信號電流為

i1=

I1Sinωt，則總的瞬時電流為i1=

I0+I1Sinωt。

當(dāng)微波信號電流的振幅小于偏置電流(

I1

＜I0

)時，無論微波信號處于正半周還是負(fù)半周，i

始終大于零。因此，PIN管在小信號工作時，呈低阻抗的導(dǎo)通狀態(tài)。

PIN管在大信號工作時，微波信號電流的振幅可遠(yuǎn)大于直流偏置電流，即

I1?I0

，此時從圖

6-6-表面看來，似乎在微波信號的負(fù)半周，PIN管內(nèi)無電流通過，而處于截止?fàn)顟B(tài)，其實不然。因為在

I0的作用下，I

層內(nèi)已有儲存電荷

Q0

，只要微波信號的頻率足夠高，在信號負(fù)半周，I

層減少的電荷量可遠(yuǎn)小于

Q0

。換句話說，在信號負(fù)半周，盡管由于反向電壓的作用，將有部分載流子從

I

層中被“吸出”，使

I

層的儲存電荷有所減少，但只要微波信號頻率足夠高，I

層仍有足夠多的儲存電荷可以維持

PIN管的導(dǎo)通狀態(tài)。

可以證明只要很小的正向偏置電流，就可使很大的微波信號工作在

PIN管的正向狀態(tài)(低阻抗導(dǎo)通狀態(tài))。反之，在較小的反向直流偏壓作用下，即使微波信號電壓的振幅很大，也能保證

PIN管始終工作在反向狀態(tài)(高阻抗截止?fàn)顟B(tài))。

因此可以得出如下結(jié)論：

(1)

在微波信號與直流偏置同時作用時，PIN管所呈現(xiàn)的阻抗大小主要取決于直流偏置的大小和方向，而幾乎與微波信號的幅度無關(guān)。

(2)

PIN管能以很小的控制功率來控制很大的微波信號功率。

2.

PIN管的阻抗變化特性

PIN管是可變阻抗器件，其阻抗變化特性完全由

I

層決定。當(dāng)

PIN管處于零偏壓或反向偏壓時，由于

I

層中載流子極少，是一個高阻層，這時管子呈現(xiàn)高阻抗特性(截止?fàn)顟B(tài))。當(dāng)加上一定的正向偏壓時，從

P+、N+層來的大量載流子注入

I

層，使其電阻率大大下降，這時管子呈現(xiàn)低阻抗特性(導(dǎo)通狀態(tài))。當(dāng)正向偏壓從零逐漸增大時，I

層內(nèi)儲存的載流子逐漸增多，其電導(dǎo)率逐漸增大，可使

PIN管的阻抗在幾兆歐姆至零點幾歐姆之間連續(xù)變化，因此可利用這種阻抗變化特性來實現(xiàn)各種控制功能。

PIN管的等效電路如圖

6-7

所示。當(dāng)

PIN管分別處于零偏壓和反向偏壓時，其等效電路均可簡化為一個小電容和一個小電阻串聯(lián)，如圖

6-7(a)、(b)所示，這時

PIN管處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)

PIN管處于正向偏壓時，隨著電流的增加，I

層中載流子濃度增高，這時

PIN管呈現(xiàn)低阻抗特性，等效電路可簡化為一個小的正向微分電阻

Rf，如圖

6-7(ｃ)所示。然而，在正向電流較小時，Rf的阻值較大，當(dāng)改變正向電流時，可連續(xù)改變此阻值，依據(jù)該特性可以制作電調(diào)衰減器。

圖

6-7

PIN管的等效電路

6.3

PIN管開關(guān)

6.3.1

PIN管開關(guān)概述利用

PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性，可控制電路的通斷，組成開關(guān)電路。按功能來分，常用的開關(guān)電路有兩種：一種是通斷開關(guān)，如單刀單擲開關(guān)，其作用是控制傳輸系統(tǒng)中信號的通斷；另一種是換接開關(guān)，如單刀雙擲開關(guān)、單刀多擲開關(guān)，其作用是使信號在兩個或多個傳輸系統(tǒng)中換接。單刀單擲、單刀雙擲及單刀多擲開關(guān)示意圖如圖

68

所示。

圖

6-8

開關(guān)示意圖

微波信號源中的脈沖調(diào)制器一般采用單刀單擲(SPST)開關(guān)，雷達(dá)發(fā)射機和接收機共用天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)多為單刀雙擲(

SPDT)開關(guān)，雷達(dá)多波束的轉(zhuǎn)換控制電路中多采用單刀多擲(SPMT)開關(guān)。圖

6-9

所示為雷達(dá)天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)發(fā)射機產(chǎn)生射頻脈沖信號時，收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)接通天線與發(fā)射機，射頻脈沖信號經(jīng)天線發(fā)射出去。發(fā)射脈沖結(jié)束后，收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開發(fā)射支路，天線接收到的回波信號全部經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)進入接收機。

圖

6-9

雷達(dá)天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)

開關(guān)狀態(tài)的切換是通過低頻的控制信號實現(xiàn)傳輸通道的切換的。圖

6-10

所示為開關(guān)實物圖。圖

6-10

開關(guān)實物圖

6.3.2

PIN管開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)

1.

插入損耗和隔離度

PIN管開關(guān)導(dǎo)通時，傳輸能量的衰減要盡可能??；PIN管開關(guān)斷開時，傳輸能量的衰減要盡可能大。開關(guān)導(dǎo)通時的損耗稱為插入損耗；開關(guān)斷開時的損耗稱為隔離度。理想情況下開關(guān)導(dǎo)通時沒有損耗，但實際中有損耗，用插入損耗描述；理想情況下開關(guān)斷開時輸出端無輸出，隔離度為無窮大，但實際中會有泄露，用隔離度描述。插入損耗和隔離度均用輸入功率與輸出功率之比的分貝數(shù)表示，即

2.

開關(guān)時間

開關(guān)時間是指

PIN管從截止到導(dǎo)通以及從導(dǎo)通到截止所需要的時間。通常情況下，斷開時間大于導(dǎo)通時間。高性能

PIN管的開關(guān)時間約為

2～5

nS。開關(guān)時間既和

PIN管的性能有關(guān)，又和

PIN管開關(guān)的控制電流有關(guān)。

3.

功率容量

PIN管開關(guān)的功率容量(或稱最大開關(guān)功率)是指開關(guān)所能承受的最大微波功率。它與PIN管的功率容量和開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。PIN管的功率容量主要受到兩方面的限制：一是管子導(dǎo)通時所允許的最大功耗；二是管子截止時所能承受的最大反向電壓(即反向擊穿電壓)。如果超越了這些限制，前者會導(dǎo)致管內(nèi)溫升過高(約

200～300℃

)而燒毀，后者會導(dǎo)致

I

層的雪崩擊穿。

總之，PIN管開關(guān)的功率容量不僅與

PIN管的性能有關(guān)，而且與開關(guān)電路的類型(串聯(lián)還是并聯(lián))和工作狀態(tài)(連續(xù)波工作還是脈沖工作)有關(guān)。因此，同一個

PIN管在不同開關(guān)電路中以及不同工作狀態(tài)下所能承受的最大功率是不同的。此外，功率容量還與

PIN管開關(guān)的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)：PIN管開關(guān)結(jié)構(gòu)的散熱性能較好，功率容量就大一些；散熱性能較差，功率容量就小一些。

6.3.3

PIN管開關(guān)電路

1.

PIN管單刀單擲開關(guān)

PIN管單刀單擲開關(guān)一般用于在單一傳輸線中控制電路的通斷。PIN管在電路中有兩種接法：一種是并聯(lián)型，另一種是串聯(lián)型，如圖

6-11

所示。并聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)中PIN管并聯(lián)于電路中，當(dāng)反向偏置(反偏)時，PIN管呈現(xiàn)高阻抗特性，對傳輸功率影響很小，插入損耗小，相當(dāng)于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)；在正向偏置時，PIN管呈現(xiàn)低阻抗特性，信號功率大部分被反射回去，插入損耗很大，相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)。串聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)恰好相反。

圖

6-11

PIN管單刀單擲開關(guān)結(jié)構(gòu)圖及等效電路

PIN管單刀單擲開關(guān)的等效電路如圖

6-11

所示。其中，YD和

ZD分別為

PIN管的等效導(dǎo)納和等效阻抗；Y0和

Z0分別為傳輸線的特性導(dǎo)納和特性阻抗。以并聯(lián)型為例，此時可把PIN管單刀單擲開關(guān)的等效電路看成二端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)開關(guān)接匹配負(fù)載時，開關(guān)插入損耗為

式中，GD和

BD分別為

PIN管的等效電導(dǎo)和等效電納。若已知

PIN管的正反向偏置參數(shù)及傳輸線特性阻抗，則可按式(6-2)算出

PIN管單刀單擲開關(guān)的插入損耗和隔離度。

當(dāng)考慮

PIN管寄生參量時，并聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)的等效電路如圖

6-12

所示。由圖

6-12

可見，PIN管的等效導(dǎo)納中包含有寄生參量

LS和

Cp

，因此，GD和

BD為頻率的函數(shù)。圖

6-12(a)、(b)中虛線框內(nèi)分別為反偏和正偏時管芯的等效電路。下面定性分析

PIN管單刀單擲開關(guān)插入損耗

L

隨頻率的變化規(guī)律。

圖

6-12

并聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)的等效電路

圖

6-13

并聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)衰減的頻率特性

當(dāng)

PIN管正向偏置時，PIN管單刀單擲開關(guān)的等效電路如圖

6-12(b)所示。在頻率很低的情況下，YD很大，L

亦大。隨著頻率的升高，YD逐漸減小，因而

L

亦減小，這一過程如圖

6-13

中的虛線所示。

由圖

6-13

可見，由于寄生參數(shù)的存在，實際上并聯(lián)型

PIN管單刀單擲開關(guān)能實現(xiàn)開關(guān)作用的區(qū)域有兩個，即模區(qū)I和模區(qū)Ⅱ。在模區(qū)I中，PIN管反偏時

L

較小，因而呈現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，PIN管正偏時

L

增大，呈現(xiàn)開關(guān)斷開狀態(tài)，與前述分析相同。而模區(qū)Ⅱ工作狀態(tài)恰好相反。

由圖

6-13

還可以看出，這種開關(guān)有很大的局限性，即只有固定的、較窄的頻率區(qū)間能實現(xiàn)開關(guān)作用，而在其他頻率范圍，PIN管正反向偏置等效導(dǎo)納變化很小，因而不能起到開關(guān)作用。之所以如此，就是因為

PIN管有寄生參量存在。為了克服這一缺點，可采用以下幾種方法：①

去掉封裝，只用管芯；②

采用其他電路元件(如諧振式開關(guān)、陣列式開關(guān)、濾波器式開關(guān)等)來改善單管的開關(guān)特性。

2.

其他形式的

PIN管單刀單擲開關(guān)

1)

PIN管諧振式開關(guān)

為了克服單管開關(guān)的局限性，在給定的頻率范圍獲得好的開關(guān)特性，PIN管單刀單擲開關(guān)可采用并聯(lián)諧振式開關(guān)電路，其等效電路如圖

6-14

所示。在

PIN管(虛線框內(nèi))支路中，加串聯(lián)調(diào)諧元件，其電抗為

jＸS，同時在傳輸線間加并聯(lián)元件，其電抗為

jＸ，在給定微波頻率信號作用下，當(dāng)

PIN管反偏時，管子電抗與

jＸS產(chǎn)生串聯(lián)諧振，使傳輸阻抗接近于短路，此時開關(guān)處于“斷”狀態(tài)，如圖

6-14(a)所示；

當(dāng)

PIN管正偏時，加并聯(lián)電抗

jＸ，使其在相同微波頻率信號作用下產(chǎn)生并聯(lián)諧振，傳輸阻抗接近于開路，開關(guān)處于“通”狀態(tài)，如圖

6-14(b)所示。由于諧振式開關(guān)在

PIN管正反偏置時阻抗變化很大(從接近于短路到接近于開路)，因此，諧振式開關(guān)具有高的隔離度和低的插入損耗。如某波導(dǎo)型諧振式開關(guān)隔離度可達(dá)

30

dB，插入損耗為

0.2

dB，但頻帶窄，只有

5％左右的相對帶寬。

圖

6-14

并聯(lián)諧振式開關(guān)的等效電路

圖

6-15

為諧振式開關(guān)的微帶電路結(jié)構(gòu)示意圖。在主微帶線(特性阻抗

Z0

)上搭接微帶封裝

PIN管。在

PIN管的一端串接一段長為

l1的終端開路微帶線，它提供了XS，改變

l1可改變終端開路微帶線的有效長度，從而改變XS；在

PIN管與主微帶線連接處，另并接一段長為

l2的終端開路微帶線，它提供了X，改變

l2

，得到可變的X。PIN管的偏置電路由一段高阻

λ

/4

微帶線和一片高頻短路電容組成，通過偏置電路給

PIN管加偏壓。

圖

6-15

諧振式開關(guān)的微帶電路結(jié)構(gòu)示意圖

2)

PIN管陣列式開關(guān)和

PIN管濾波器式開關(guān)

(1)

PIN管陣列式開關(guān)。

如圖

6-16

所示，在傳輸線上相隔一定距離安裝多個

PIN管即可組成

PIN管陣列式開關(guān)。圖

6-16(a)為并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，圖

6-16(b)為串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，可以將它們看成若干單管開關(guān)的級聯(lián)。

圖

6-16

PIN管陣列式開關(guān)示意圖

圖

6-17

所示為微帶型四管串聯(lián)的陣列式開關(guān)，偏置線由寬帶

λp/4

變換段組成。微帶電路右邊的

λp/4

高阻分支線，在其終端打孔使直流接地。隔直電容采用耦合微帶線交指結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的帶寬可達(dá)百分之幾十。為了減少寄生參量的影響，PIN管陣列用

4

個管芯串聯(lián)而成，管子間距按最大隔離選取。該開關(guān)的插入損耗為

2

dB，隔離度為

40

dB

左右。

圖

6-17

微帶型四管串聯(lián)的陣列式開關(guān)

(2)

PIN管濾波器式開關(guān)。

把

PIN管與濾波器結(jié)合起來就可構(gòu)成頻帶較寬的

PIN管濾波器式開關(guān)。

圖

6-18

所示為由

PIN管和低通濾波器構(gòu)成的微帶型低通濾波器式開關(guān)。在低通濾波器電容塊中心，打孔嵌入

PIN管。當(dāng)

PIN管反向偏置時，其結(jié)電容

Cj和濾波器電容塊的電容

C1

、C2一起，與串聯(lián)電感

L1

、L2

、L3組成低通濾波器，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，且插入損耗很小，開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)

PIN管正偏時，其阻抗很低，近似短路，輸入信號幾乎全部被反射，隔離度很大，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

圖

6-18

微帶型低通濾波器式開關(guān)

3.

換接式開關(guān)

1)

PIN管單刀雙擲開關(guān)

PIN管單刀雙擲開關(guān)可把信號來回?fù)Q接到兩個不同設(shè)備上，形成交替工作的兩條微波通道。最簡單的

PIN管單刀雙擲開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖

6-19

所示。其中，圖

6-19(a)為并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，圖

6-19(b)為串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。不難看出，圖

6-19(a)、(b)所示開關(guān)分別由兩個并聯(lián)型和兩個串聯(lián)型單刀單擲開關(guān)并接構(gòu)成。

圖

6-19

PIN管單刀雙擲開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

圖

6-20(a)所示為微帶型單刀雙擲開關(guān)電路，圖中，PIN管、調(diào)節(jié)電容與調(diào)節(jié)電感一起構(gòu)成諧振開關(guān)。PIN管的安裝如圖

6-20(b)所示，調(diào)節(jié)電容是通過金屬壓環(huán)下面的介質(zhì)薄膜來實現(xiàn)的，金屬壓環(huán)的面積和介質(zhì)薄膜的厚度可根據(jù)調(diào)節(jié)電容量的要求來設(shè)計。調(diào)節(jié)電感采用板路線結(jié)構(gòu)，長度盡可能在

λp/8

以內(nèi)，線寬盡量窄，可實現(xiàn)等效集總參數(shù)的電感。限流電阻用來防止

PIN管過載，減少兩管之間的相互耦合。

圖

6-20

微帶型單刀雙擲開關(guān)

2)

PIN管單刀

N擲開關(guān)(N＞2)

在一些微波系統(tǒng)中，往往需要把信號換接到

N個不同設(shè)備，形成交替工作的

N條微波通道，這時需要用到

PIN管單刀

N擲開關(guān)。PIN管單刀

N擲開關(guān)可由

N個單刀單擲開關(guān)組成，如圖

6-21

所示。圖

6-21

中各單刀單擲開關(guān)均為并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，它們互相并接于開關(guān)接頭

P

處。如果每只開關(guān)中的

PIN管安置在離接頭參考面λ/4

處，則對理想導(dǎo)通的通道，接頭參考面的視入阻抗為傳輸線的特性阻抗(設(shè)各通道終端匹配)；對理想斷開的通道，接頭參考面的視入阻抗為無限大。

如果在每一瞬間控制各通道的

PIN管，使只有一個通道處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其余(N-1)個通道處于斷開狀態(tài)，那么輸入端的信號在每一瞬間只在導(dǎo)通通道輸出，而在其余(N-1)端無輸出。這樣，依次控制各單刀單擲開關(guān)的導(dǎo)通、斷開狀態(tài)，就能把信號換接到各個通道中。

圖

6-21

PIN管單刀

N擲開關(guān)原理圖

6.4

PIN管移相器

6.4.1

PIN管移相器概述圖

6-22

所示為

PIN管移相器示意圖。在控制信號作用下，移相器切換到狀態(tài)

1

時傳輸相移為

φ1

，如圖

6-22(a)所示；在控制信號作用下，移相器切換到狀態(tài)

2

時傳輸相移為φ2

，如圖

6-22(b)所示。因此，可以將

PIN管移相器看作是一種二端口微波網(wǎng)絡(luò)，加入控制信號(一般為直流偏置電壓)使得網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號之間產(chǎn)生相位的移動。

圖

6-22

PIN管移相器示意圖

1.

分類

微波移相器主要有兩大類：模擬式和數(shù)字式。模擬式移相器相移量可在

0°

～

180°或0°

～360°內(nèi)連續(xù)變化；數(shù)字式移相器的相移量只能按一定量值作步進改變，如

0°/22.5°或0°/45°等。數(shù)字式移相器只有兩個相移狀態(tài)，很容易用二進制數(shù)碼電路進行控制，因此其與電子計算機可建立密切的聯(lián)系。當(dāng)前，數(shù)字式移相器用得非常多。

圖

6-23

所示為

4

位數(shù)字式移相器原理圖，這種移相器由

0°/22.5°、0°/45°、0°/90°、0°/180°等

4

個移相器單元級聯(lián)而成，可以使輸入信號到輸出信號的相移量從

0°到

360°每隔

22.5°作步進相移。圖

6-23

4

位數(shù)字式移相器原理圖

移相器位數(shù)越多，可控的相移量數(shù)目就越多，對應(yīng)的步進“臺階”也就越小。對

N位數(shù)字式移相器來說，可控的相移量有

2N種，最小相移間隔為

2.

應(yīng)用

PIN管移相器在相控陣天線系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。相控陣?yán)走_(dá)通過電控方式控制天線孔徑面上各輻射單元的相位，以實現(xiàn)波束的快速掃描。圖

6-24

所示為一維相掃天線陣原理圖，在每個天線單元后面，都接有一個移相器(每個天線單元后面可接一個

3

位數(shù)字式移相器、4

位數(shù)字式移相器等)。對圖

6-24

所示的

N元天線陣來說，若每個天線單元后面都接一個

4

位數(shù)字式移相器，則每個天線單元就可獲得從

0°到

360°每隔

22.5°作步進相移的激勵相位。

對

N元天線陣來說，需要

N個

4

位控制信號控制移相器相位，使天線波束在空間進行掃描。若要獲得更精細(xì)的激勵相位，則需要更高位數(shù)的數(shù)字式移相器，控制信號的位數(shù)也要相應(yīng)增加。在有源相控陣系統(tǒng)中，移相器常常集成在

T

/R

組件中作為

T

/R

組件的關(guān)鍵元件。

圖

6-24

一維相掃天線陣原理圖

PIN管移相器還可用于移相法多波束形成系統(tǒng)中。與相控陣天線產(chǎn)生波束掃描原理類似，在多波束形成系統(tǒng)中，用一組相移量一定的移相器，使相鄰陣元的激勵電流之間引入一個固定的附加相位差。如用多組相移量各不相同的移相器并聯(lián)工作，構(gòu)成多波束形成網(wǎng)絡(luò)，便可同時形成指向不同的多個波束。圖

6-25

所示為移相法多波束形成系統(tǒng)原理框圖。圖

6-25

中以

3

個波束為例，共有

3

個陣元。相鄰陣元之間引入的相位差分別為-Dφ、0、Dφ。若相位差Dφ

不變，則

3

個波束指向是固定的；若Dφ

可變，則波束可以在空間掃描。

圖

6-25

移相法多波束形成系統(tǒng)原理圖

PIN管移相器還廣泛用于多通道接收機中，用來調(diào)整通道間的相位平衡。

PIN管數(shù)字式移相器常用于數(shù)字通信系統(tǒng)中，作為相位調(diào)制器(簡稱調(diào)相器)。例如，雙相相移鍵控(BPSK)和四相相移鍵控(QPSK)就是常用的相位調(diào)制編碼系統(tǒng)的基本部件。

6.4.2

PIN管移相器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.

工作頻帶

PIN管移相器的工作頻帶是指移相器各項技術(shù)指標(biāo)滿足要求時的頻率范圍。PIN管數(shù)字式移相器大多是利用不同長度的傳輸線構(gòu)成的，同樣物理長度的傳輸線對不同頻率呈現(xiàn)不同的相移，因此其工作頻帶大多是窄頻帶的。

2.

相移量

PIN管數(shù)字式移相器的相移量指的是移相器不同狀態(tài)時相對的傳輸相移，通常要給出相位步進值，如

4

位數(shù)字式移相器，從

0°到

360°每隔

22.5°作步進相移。

3.

移相精度

對于一個固定頻率點，相移量各步進值圍繞各中心值有一定偏差；在頻帶內(nèi)不同頻率時，相移量又有不同數(shù)值。在相控陣系統(tǒng)中，移相精度決定著天線波束的位置精度。

4.

開關(guān)時間

PIN管移相器的開關(guān)時間基本上取決于

PIN管開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間。

5.

承受功率

承受功率即

PIN管移相器所能承受的最大功率。如在相控陣?yán)走_(dá)的每一個單元中，均分配有一定的功率。PIN管移相器中的二極管既要能夠承受平均功率引起的發(fā)熱而不被燒毀，又要承受脈沖功率的高電壓作用而不被擊穿。此外，還應(yīng)維持相移的穩(wěn)定，盡量減少輸入功率的影響。

6.

插入損耗

插入損耗即

PIN管移相器作為一個插入元件引起電路的額外損耗。此損耗由二極管及傳輸電路引起，應(yīng)盡量將其減小。

7.

駐波比

對應(yīng)

PIN管移相器端口的反射程度，駐波比越小越好，通常駐波比應(yīng)該在

1.5

以下。如果移相單元駐波比過大，則每個移相位之間將因來回反射而降低其移相精度。

8.

寄生調(diào)幅

PIN管移相器是由微波開關(guān)和傳輸網(wǎng)絡(luò)組合而成的，在兩種狀態(tài)下，傳輸路徑不同以及控制元件不同狀態(tài)的損耗不同等，都會造成兩種移相狀態(tài)時的插入損耗不同，這就使輸出信號產(chǎn)生幅度調(diào)制。寄生調(diào)幅定義為

式中，Ｕ+和

Ｕ-分別代表兩種移相狀態(tài)時的輸出信號電壓幅度。

表

6-1

所示為某型

6

位數(shù)字式移相器的指標(biāo)。

6.4.3

PIN管移相器電路

1.

開關(guān)線型移相器

圖

6-26

開關(guān)線型移相器

圖

6-27

為微帶開關(guān)線型移相器結(jié)構(gòu)圖。PIN管并聯(lián)于微帶線，當(dāng)信號從左輸入端輸圖

6-27

微帶開關(guān)線型移相器結(jié)構(gòu)圖入時，如果左偏置加正偏壓，右偏置加負(fù)偏壓，則

VD3和

VD4正偏阻抗都很小，由于

VD3到輸入拐角點的距離是

λg/4，因此從拐角點向

VD3看去的阻抗很大；而

VD1和

VD2反偏阻抗都很大，從輸入拐角點向

VD1看去阻抗接近于傳輸線特性阻抗

Z0(負(fù)載一般為

50Ω)，于是信號能量從

L2通道傳送到右輸出端。如果偏置電壓與上述情況相反，則信號能量由

L1通道傳送到輸出端。隔直電容可保證左偏置只控制

VD3和

VD4

，右偏置只控制

VD1和

VD2

。

圖

6-27

微帶開關(guān)線型移相器結(jié)構(gòu)圖

2.

加載線型移相器

加載線型移相器是指在傳輸能量通道內(nèi)加載

PIN管和傳輸線后組成的網(wǎng)絡(luò)，其利用PIN管的兩種阻抗?fàn)顟B(tài)來控制傳輸信號的相移量。圖

6-28(a)所示為加載線型移相器的等效電路，其中，Y0為傳輸線特性導(dǎo)納，jB

為加載網(wǎng)絡(luò)的等效并聯(lián)電納，Y01為移相器加載網(wǎng)絡(luò)的等效電納之間傳輸線的特性導(dǎo)納。圖

6-28(a)可以等效為如圖

6-28(b)所示特性導(dǎo)納為

Y、電長度為

Φ的傳輸線。

圖

6-28

加載線型移相器

對于頻帶要求比較窄的移相器來說，并聯(lián)電納可以用一段長度為

l

=

λg/8

并且端接諧振式開關(guān)的傳輸線來實現(xiàn)，如圖

6-29(a)所示。諧振式開關(guān)近似于理想開關(guān)，而

PIN管在兩種偏置條件下，近似于短路和開路，因此用

PIN管可以代替理想開關(guān)，如圖

6-29(b)所示。圖

6-29(b)中，當(dāng)

PIN管導(dǎo)通時，相當(dāng)于長度為

λg/8

的短路線，而當(dāng)

PIN管截止時，相當(dāng)于長度為

λg/8

的開路線。由傳輸線理論可知，兩種情況下的并聯(lián)電納大小相等、符號相反，符合加載線型移相器的要求。

圖

6-29

并聯(lián)電納的實現(xiàn)

雙分支加載線型移相器的等效電路如圖

6-30(a)所示，微帶電路結(jié)構(gòu)如圖

6-30(b)所示。圖

6-30(b)中，兩個

PIN管一端連在特性導(dǎo)納為

Y02的微帶線上，另一端與低阻抗開路線相接，以實現(xiàn)

RF

接地。管子直流偏置由偏置點饋入，主線上并接的四分之一波長高阻線終端打孔接地，形成直流接地。當(dāng)微波信號由輸入端輸入時，兩個性能相同的

PIN管VD1和

VD2有兩種工作狀態(tài)。VD1和

VD2反向偏置時，特性導(dǎo)納為

Y02的兩分支微帶線在主微帶分支點上形成并接電納

jB-

，輸入信號在輸出端輸出后，信號相移為φ-

；VD1和

VD2正向偏置時，特性導(dǎo)納為

Y02的兩分支微帶線在主微帶分支點上形成并接電納

jB+

，輸入信號在輸出端輸出后，信號相移為φ+

；φ+與φ-的差就是此加載線型移相器的相移量。

圖

6-30

雙分支加載線型移相器

雙分支加載線型移相器適用于小相移量的場合。因為隨著相移量的增大，jB

變化會很大，這將引起信號分流增加并使匹配變差。同時

PIN管不是理想無損耗的，因而移相器的插入損耗也會增加。這些因素都將使移相器性能惡化。為了增大相移量，例如

90°相移量，可用三分支加載線型移相器，它可以分解成兩個

45°雙分支加載線型移相器的級聯(lián)，如圖6-31

所示。

圖

6-31

90°加載線型移相器示意圖

3.

3

dB

定向耦合器型移相器

圖

6-32

所示為

3

dB

定向耦合器型移相器結(jié)構(gòu)圖。四分之一波長高阻抗微帶線一端接輸出微帶線，另一端接接地孔，提供直流通路；3

dB

分支線定向耦合器的②臂、③臂與

PIN管之間接阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，把

PIN管的等效電納變換成

jB±(其中，“+”“-”分別對應(yīng)

PIN管

正反偏兩種情況下的等效電納)，圖

6-33

所示為

3

dB

定向耦合器型移相器的等效原理圖。

由圖

6-33

可知，3

dB

定向耦合器型移相器是由

3

dB

分支線定向耦合器及其兩臂并接完全相同的電納

jB

組成的。并接電納由傳輸線網(wǎng)絡(luò)和

PIN管組成。當(dāng)

PIN管由正偏變到負(fù)偏時，jB

由

jB+變到

jB-

。

圖

6-32

3

dB

定向耦合器型移相器結(jié)構(gòu)圖

圖

6-33

3

dB

定向耦合器型移相器的等效原理圖

下面從三個方面說明其工作原理。

(1)

輸入端的匹配。

當(dāng)輸入信號由①臂輸入時，信號功率一分為二分別傳輸?shù)舰诒酆廷郾?，并被②臂和③臂所接純電?/p>

jB

全反射，兩個反射波反射回①臂后疊加，由于它們所經(jīng)路程相差半個波長，相位相反，互相抵消，故①臂無反射，實現(xiàn)匹配。

(2)

④臂有輸出。

當(dāng)輸入信號由①臂輸入時，被②臂和③臂所接純電抗

jB

全反射后，兩個反射波反射回①臂，互相抵消，而反射回④臂時，由于它們所經(jīng)路程長度相同，同相疊加，故④臂有輸出。

(3)

相移原理。

②臂和③臂所接純電抗

jB

由阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和

PIN管共同實現(xiàn)，PIN管在正反偏置狀態(tài)下，純電抗具有不同的值即

jB+和

jB-

，由傳輸線理論可知，不同電抗值提供不同反射波的相位，所以在正偏和反偏兩種狀態(tài)下④臂輸出的信號具有不同的相移，即φ+和

φ-

，兩者之差即為移相器的相移量。

4.

4

位數(shù)字式移相器

圖

6-34

所示為一種微帶型

4

位數(shù)字式移相器結(jié)構(gòu)圖。圖中圓孔為接地孔；PIN管負(fù)極接低阻抗四分之一波長開路線，使其高頻接地，同時通過它與偏置線相接構(gòu)成偏置通路；左端

4

根引線為加偏置電壓的位置。圖

6-34

中，從左至右依次為

22.5°加載線型移相器單元、45°加載線型移相器單元、90°加載線型移相器單元、180°

3

dB

定向耦合器型移相器單元。這樣，通過控制

4

個移相器單元中

PIN管的偏置狀態(tài)，使各移相器單元獲得一定的相移量，即可組成在

0°

～337.5°內(nèi)以

22.

5°、45°、90°、180°及它們的組合為步進的相移量。

圖

6-34

微帶型

4

位數(shù)字式移相器結(jié)構(gòu)圖

6.5

PIN管電調(diào)衰減器6.5.1

PIN管電調(diào)衰減器概述用電信號控制衰減量的衰減器稱為電調(diào)衰減器，或稱電控衰減器。它與開關(guān)電路及限幅電路不同。開關(guān)電路的電控信號是從一個極值跳變到另一個極值，以實現(xiàn)開關(guān)電路的通與斷；限幅電路中的輸出信號電平是一個取決于所用器件及電路形式的固定值；而在電調(diào)衰減器中，電控信號大多是連續(xù)可變的，以實現(xiàn)衰減量的連續(xù)可調(diào)。電調(diào)衰減器多用于自動增益控制、功率電路的電平控制、放大器增益變化的溫度補償以及收發(fā)電路的隔離保護、信號發(fā)生器的自動穩(wěn)幅等各種電路中。

利用

PIN管正向電阻隨偏置電流變化的特性，可制成各種類型的電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器按產(chǎn)生衰減的物理原因可分成兩類：反射型和吸收型。在反射型電調(diào)衰減器中，衰減主要由

PIN管的反射形成；在吸收型電調(diào)衰減器中，衰減主要由

PIN管的損耗形成。

6.5.2

PIN管電調(diào)衰減器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.

工作頻帶與衰減平坦度

工作頻帶的確定意味著電調(diào)衰減器應(yīng)當(dāng)在工作頻帶內(nèi)各頻率點處都保持基本一致的衰減量，并且當(dāng)衰減量改變時，仍能保持均勻衰減，這樣才能保證信號頻譜不失真。工作頻帶與衰減動態(tài)范圍存在一定折中關(guān)系，當(dāng)要求電調(diào)衰減器的衰減動態(tài)范圍較大時，需要多級的控制元件，這樣就難以做到寬頻帶。衰減平坦度是指工作頻帶內(nèi)衰減量的起伏，經(jīng)常用最大起伏來表示平坦度的優(yōu)劣。

2.

插入損耗

電調(diào)衰減器根據(jù)控制信號的變化可以提供不同的衰減量，即處于不同的工作狀態(tài)。電調(diào)衰減器處于其最小衰減量時的狀態(tài)稱為參考態(tài)，這時電調(diào)衰減器給系統(tǒng)引入的損耗稱為插入損耗。插入損耗的大小取決于參考態(tài)下控制元件自身的衰減和反射衰減。一般來說，為了降低電調(diào)衰減器對系統(tǒng)增益的影響，應(yīng)使電調(diào)衰減器的插入損耗盡可能低。單個衰減位的插入損耗較小，但是當(dāng)多個衰減位級聯(lián)時，每一位的插入損耗累積起來，將使總的插入損耗變大。

3.

衰減動態(tài)范圍

衰減動態(tài)范圍是指電調(diào)衰減器的最大衰減量與最小衰減量(插入損耗)之差，它表征電調(diào)衰減器衰減能力的強弱。

4.

衰減步進和衰減精度

衰減步進是指最小可控衰減單元的衰減量大小。例如對于

5

位電調(diào)衰減器，若步進為

1dB，則它處于衰減態(tài)時的衰減量有

1

dB，2

dB，3

dB，…，31

dB

等。衰減精確度是指每個衰減位的準(zhǔn)確度。一般情況下，電調(diào)衰減器對衰減精度的要求比較高。

5.

衰減附加相移

衰減附加相移是指某一衰減態(tài)下信號傳輸相移和參考態(tài)下信號傳輸相移的差值。理想情況下，要求在所有可能的衰減狀態(tài)下，通過電調(diào)衰減器的傳輸相位是不變的。這種相位不變性使每次改變電調(diào)衰減器的衰減設(shè)定時無須重新調(diào)整系統(tǒng)的插入相位，從而使電調(diào)衰減器的應(yīng)用更加方便。

6.

輸入/輸出端口回波損耗

為了描述輸入/輸出端口的匹配情況，引入了輸入/輸出端口回波損耗的概念，其定義如下：

式中，Γ為輸入或輸出端的反射系數(shù)。電路的匹配越好，輸入/輸出端口回波損耗越小。

7.

功率容量

電調(diào)衰減器的功率容量主要是指衰減器中開關(guān)元件所能承受的最大功率。開關(guān)的最大功率取決于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)時允許通過的最大導(dǎo)通電流和截止?fàn)顟B(tài)時兩端能夠承受的最大

電壓。

6.5.3

PIN管電調(diào)衰減器電路

PIN管電調(diào)衰減器電路的工作原理及結(jié)構(gòu)形式與

PIN管開關(guān)電路的類似，都是利用PIN管阻抗隨偏置變化的特性，它們之間有如下不同：

(1)

偏置情況不同。在

PIN管開關(guān)電路中，偏置是從正偏的某一個極值跳到負(fù)偏的某一個極值(或反之)，以實現(xiàn)開關(guān)的“通”“斷”。而在

PIN管電調(diào)衰減器電路中，正偏電流則是連續(xù)可變的，以實現(xiàn)衰減量的連續(xù)可調(diào)。

(2)

采用的

PIN管不同。在

PIN管開關(guān)電路中，為了縮短開關(guān)時間，一般選用

1

層較薄的

PIN管；而在

PIN管電調(diào)衰減器電路中，為了獲得較大的衰減量動態(tài)范圍，一般采用

1層較厚的

PIN管。

從原理上講，前面講過的

PIN管單刀單擲開關(guān)基本上都可以作為反射型電調(diào)衰減器，只要選擇合適的

PIN管并連續(xù)改變其偏置，就可以在一定范圍內(nèi)獲得連續(xù)變化的衰減量，不過這些反射型電調(diào)衰減器有一個共同的缺點，就是它們的輸入駐波比都很大，所以在實際中，很少將其直接作為電調(diào)衰減器應(yīng)用。

圖

6-35

所示為

PIN管電調(diào)衰減器的等效電路。圖中

Pin為輸入的微波功率，當(dāng)改變PIN管的偏置電流時，PIN管等效的微波阻抗

ZD也跟著變化，于是傳到負(fù)載上的功率

Pout和返回電源的功率

Pr也跟著變化，這樣就得到

Pout隨

PIN管偏置電流改變而變化的電調(diào)衰減器。

圖

6-35

PIN管電調(diào)衰減器的等效電路

1.

三路混合器型電調(diào)衰減器

圖

6-36

所示為三路混合器型電調(diào)衰減器的微帶型電路，它由兩個

3

dB

三路混合器和兩個特性相同的

PIN管組成。左邊的三路混合器作為功率分配器使用，右邊的三路混合器作為功率合成器使用，R

是隔離電阻，兩個

PIN管分別在

A、B

處與微帶線并接，其間距為中心頻率的四分之一波長。當(dāng)

PIN管為零偏置時，管子的阻抗遠(yuǎn)大于微帶線的特性阻抗Z0

，此時

PIN管對傳輸特性沒有影響，輸入功率經(jīng)功率分配器分成兩路后，幾乎無損耗地通過

A、B

點，然后經(jīng)功率合成器輸出，這時

Pin=Pout，系統(tǒng)的衰減接近于零。

當(dāng)

PIN管加上正偏電流時，管子的阻值減小，A、B

點向右的視入阻抗不再等于傳輸線的特性阻抗，輸入功率的一部分分別在

A、B

處反射回去，消耗在隔離電阻

R

中，一部分耗散在

PIN管中，其余的則經(jīng)功率合成器輸出。這時，輸出功率小于輸入功率，系統(tǒng)產(chǎn)生一定的衰減。若連續(xù)改變

PIN管的偏置電流，則系統(tǒng)的衰減量也會連續(xù)改變。

圖

6-36

三路混合器型電調(diào)衰減器的微帶型電路示意圖

2.

3

dB

定向耦合器型電調(diào)衰減器

圖

6-37

所示為

3

dB

定向耦合器型電調(diào)衰減器原理圖。在定向耦合器的平分臂②、③端都接有

PIN管和阻值等于傳輸線特性阻抗

Z0的電阻。當(dāng)

3

dB

定向耦合器各端接特性阻抗

Z0時，①端輸入的信號功率在②、③端平分輸出，而④端無輸出；如果接在②、③端的阻抗不等于

Z0

，則進入②、③端的信號功率將被部分地反射回去；對于理想

3

dB

定向耦合器，反射功率全部在④端輸出，而不進入①端，所以輸入端始終是匹配的，

如圖

6-37

所示，在②、③端分別連接受正向偏置電流控制的

PIN管和阻值為

Z0的電阻。當(dāng)

PIN管的電阻隨偏置電流改變時，④端的輸出功率便隨之改變，偏置電流越大，PIN管的等效電阻

Rf越小，②、③端越接近匹配，在④端輸出的功率就越小，系統(tǒng)的衰減也就越大，由此便構(gòu)成了電調(diào)衰減器。

圖

6-37

3

dB

定向耦合器型電調(diào)衰減器原理圖

圖

6-38

所示為微帶型

3

dB

定向耦合器型電調(diào)衰減器電路圖。圖中微帶型

PIN管的一端與定向耦合器相接，另一端經(jīng)

50Ω電阻與電容塊相連，形成射頻接地。偏置電流由低通濾波器饋入，經(jīng)分支線定向耦合器加到

PIN管上，并經(jīng)高阻抗線后通過接地孔接地。隔直電容的作用是避免偏置電流經(jīng)外電路短路。

圖

6-38

微帶型

3

dB

定向耦合器型電調(diào)衰減器電路圖

3.

吸收型陣列式電調(diào)衰減器

圖

6-39(a)所示為吸收型陣列式電調(diào)衰減器結(jié)構(gòu)圖。圖

6-39

吸收型陣列式電調(diào)衰減器及其等效電路

圖

6-40

所示是一種較為常用的波導(dǎo)型陣列式電調(diào)衰減器結(jié)構(gòu)示意圖，它由一段脊波導(dǎo)和若干個(圖中為

5

個))PIN管組成。為了減小管殼封裝參量的影響，這里采用了未封裝的

PIN管芯。PIN管芯直接焊在銅棒(稱為電感棒)的一端，并將波導(dǎo)插入后緊壓在波導(dǎo)脊上，銅棒作為管芯的引線與偏置電路相連。由于銅棒的直徑(約為

1

～

2

mm)遠(yuǎn)比一般封裝P