(1.中航工業(yè)陜飛公司 漢中 723213)(2.華中科技大學(xué) 武漢 430074)

PIN二極管開關(guān)設(shè)計及其非線性失真分析*

吳云忠1李文廣2譚兵2

(1.中航工業(yè)陜飛公司 漢中 723213)(2.華中科技大學(xué) 武漢 430074)

PIN二極管電子開關(guān)廣泛應(yīng)用于天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換，完成射頻信號的通道切換。由于非線性特性，其在大動態(tài)及多音信號輸入時會產(chǎn)生互調(diào)失真。論文介紹了PIN二極管的開關(guān)應(yīng)用，設(shè)計了一款工作在100MHz～400MHz的高性能收發(fā)開關(guān)，根據(jù)實際使用中出現(xiàn)的問題分析了PIN管的非線性產(chǎn)生的原因，測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯(lián)等開關(guān)電路的互調(diào)失真情況并進(jìn)行分析，改進(jìn)了寬帶開關(guān)設(shè)計中存在的問題，最后對降低PIN管電子開關(guān)的非線性失真技術(shù)進(jìn)行了討論。

PIN二極管;開關(guān);交調(diào)失真;諧波失真;非線性

ClassNumberTP303

1 引言

射頻開關(guān)作為微波控制電路的重要部件而被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和電子對抗系統(tǒng)中。由于PIN二極管可控制功率大，損耗小，速度快，開路和短路特性好而被廣泛應(yīng)用于各種微波控制電路中[1]。

本文設(shè)計了一款頻率為100MHz～400MHz的寬帶收發(fā)電子開關(guān)，該開關(guān)發(fā)射通道采用雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)，接收通道采用雙串聯(lián)及反串聯(lián)結(jié)構(gòu)提高隔離度，通過對PIN管的選取、匹配電路設(shè)計及微帶線布局來實現(xiàn)對開關(guān)的插損、隔離度、駐波比的要求，功率容量及線性度指標(biāo)通過選取適合的PIN管、合理的開關(guān)結(jié)構(gòu)及提高反偏電壓來滿足要求。采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)使開關(guān)驅(qū)動部分得到簡化，縮小了開關(guān)體積并改善了開關(guān)切換時間。

當(dāng)有微波信號通過時，特別是大功率信號，在PIN管正向?qū)顟B(tài)，引起I層電導(dǎo)率的抖動，在反偏狀態(tài)，引起PIN管反偏結(jié)電容的抖動，I層電導(dǎo)率的抖動和反偏結(jié)電容的抖動都引起了信號的失真。針對該開關(guān)在實際應(yīng)用中的由于多個接收頻率產(chǎn)生的非線性信號干擾問題，分析了PIN管的非線性產(chǎn)生的原因，測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯(lián)等開關(guān)電路的互調(diào)失真情況并進(jìn)行分析，通過比較改進(jìn)了寬帶開關(guān)設(shè)計中存在的問題，最后對降低PIN管電子開關(guān)的非線性失真技術(shù)進(jìn)行了探討。

2 PIN二極管在電子開關(guān)電路中的應(yīng)用

2.1 PIN二極管結(jié)構(gòu)及等效電路

PIN二極管是一種PN結(jié)器件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，在P型和N型接觸區(qū)加入一薄層低摻雜的I層本征半導(dǎo)體，故稱之PIN管。由于PIN二極管中的I層總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生，而不是由微波電流瞬時值產(chǎn)生，所以其對微波信號只呈現(xiàn)一個線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時阻值小，接近于短路，反偏時阻值大，接近于開路，其等效電路如圖2所示，因此PIN二極管具有極好線性和低失真特性，可以制成極好的射頻電子開關(guān)[2～3]。

圖1 PIN管結(jié)構(gòu)

圖2 PIN管正偏、反偏、非線性等效模型

正偏時其導(dǎo)通電阻Rs及反偏或零偏時其反偏電容分別為:

(1)

(2)

其中，Q=IF×τ為I層的電荷(庫倫)，W為I層的厚度，μn為電子遷移率，μp為空穴遷移率，IF為正向偏置電流，τ為載流子壽命。為硅的介電常數(shù)，A為PN結(jié)的面積。

同時在PIN管為正偏的時其二階交調(diào)截點和三階交調(diào)截點分別估算如下:

(3)

(4)

其中，F(xiàn)為工作頻率，Rs為二極管導(dǎo)通電阻，Q為儲存電荷。有IP2及IP3可以看出二極管的線性度指標(biāo)與器件本身的導(dǎo)通電阻、正向偏置電流、載流子壽命以及工作頻率有關(guān)。

2.2 PIN二極管在開關(guān)電路的應(yīng)用

PIN二極管具備寬范圍的射頻阻抗以及低失真的優(yōu)點，非常適合制造高性能的電子開關(guān)。配合正確的電路和激勵設(shè)計，PIN二極管可以處理高達(dá)幾十瓦的大功率電平。設(shè)計處理中等功率電平的開關(guān)，只要選擇合適的二極管和開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在不到100ns的時間內(nèi)完成開關(guān)動作。

PIN開關(guān)電路大致可分成并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種基本形式。串聯(lián)方式適合寬頻率范圍，較小插入損耗情況；并聯(lián)方式適合寬頻率范圍，較大隔離的電路中，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是它具有較低的插入損耗，又由于PIN管并聯(lián)接地散熱較好，所以這種結(jié)構(gòu)也有較高的功率容量。將串聯(lián)及并聯(lián)結(jié)合還可以形成串并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及TEE結(jié)構(gòu)，其中串并結(jié)構(gòu)中串聯(lián)的二極管具有很好的低頻特性，加上后端通過四分之一波長線并聯(lián)PIN管，使得對電路帶寬的擴(kuò)展和隔離度的提高都有很明顯的改善，應(yīng)用較為廣泛[4～5]。

3 PIN二極管開關(guān)電路設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計一個工作頻率為100MHz～400MHz的超短波寬帶電子開關(guān)，發(fā)射通道損耗小于0.5dB，接收通道損耗0.7dB，發(fā)/收隔離度大于40dB，輸入輸出駐波比小于1.35，承受功率大于100W，切換時間小于10μs。寬帶開關(guān)電路原理圖如圖3所示，其中RFin為公共端，TX/RX分別為收發(fā)端，Port1和Port2分別為反偏電壓Vpp，其工作原理為:Port1=0V、Port2=Vpp時，D1、D2兩個PIN二極管導(dǎo)通，D3、D4、D5、D6均反偏，開關(guān)TX端導(dǎo)通，此時僅有兩個PIN管導(dǎo)通因此損耗較低，發(fā)/收隔離度采用有四個PIN管反偏保證設(shè)計要求；當(dāng)Port1=Vpp、Port2=0V時，D1、D2反偏截止，D3、D4、D5、D6均正偏導(dǎo)通，開關(guān)RX端導(dǎo)通，其損耗比發(fā)射通道略大。

圖3 100～400MHz寬帶開關(guān)電路原理圖

該電路采用0.8mm厚度的TLY-5微波板材設(shè)計PCB并完成焊接工作，采用安捷倫公司的E5061A網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其接收通道指標(biāo)，接收通道的損耗、帶寬、駐波比測試曲線如圖4所示，發(fā)射狀態(tài)下發(fā)-收通道的隔離度均大于60db，可以看出其測試結(jié)果滿足設(shè)計要求的。

圖4 接收通道損耗、駐波比測試曲線

4 PIN開關(guān)電路非線性影響分析

在實際應(yīng)用中開關(guān)的公共端與超短波天線直接連接，在接收狀態(tài)下，外部存在多個工作在10MHz～600MHz的大功率發(fā)射設(shè)備，主要有2MHz～30MHz、87MHz～108MHz、108MHz～174MHz、192MHz～209MHz、225MHz～400Mhz、500MHz～600MHz等工作頻率范圍，這些設(shè)備在發(fā)射功率大，與超短波天線的空間隔離有限，超短波在天線會接收到其他發(fā)射設(shè)備的信號約在0dBm～15dBm范圍內(nèi)，而PIN二極管開關(guān)自身具有非線性失真，在多個的大信號輸出時會產(chǎn)生互調(diào)失真和諧波失真，一旦失真信號頻率與超短波工作頻率相同且幅度超出電臺接收靈敏度時，就會嚴(yán)重干擾電臺的接收工作。

4.1 非線性特性分析

互調(diào)分量是影響射頻系統(tǒng)性能的一個重要的非線性指標(biāo)。當(dāng)多個射頻信號加入非線性器件時，非線性器件的輸出為多個頻率的線性組合，典型的三次及五次互調(diào)頻率與信號頻率非常接近，無法用濾波器濾除，因此該互調(diào)信號會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的信號檢測和識別。一般可用麥克勞林展開式進(jìn)行非線性失真分析，或者采用Pspice的二極管電路模型進(jìn)行仿真計算[6～9]。

當(dāng)外部發(fā)射工作在10MHz、100MHz、200MHz、370MHz、500MHz時，超短波從110MHz開始，每增加5MHz及10MHz的頻率點處全部被干擾，不能正常工作，經(jīng)過分析，主要是互調(diào)信號干擾了接收機(jī)的正常工作。針對100MHz～400MHz以外的信號，在開關(guān)的公共端增加帶通濾波器加以濾除，在實際中重點討論100MHz～400MHz范圍內(nèi)的互調(diào)干擾問題。選取發(fā)射機(jī)工作為100MHz和209MHz，其超短波頻段內(nèi)的互調(diào)頻率分別為109MHz、309MHz及318MHz，需要對該互調(diào)信號進(jìn)行處理，避免其它設(shè)備單獨或同時發(fā)射時對影響超短波電臺的正常接收。

4.2 實際測試與分析

為解決問題的根本所在，主要是提高PIN二極管開關(guān)的線性度，降低其自身產(chǎn)生的互調(diào)分量，同時在后級增加子帶通濾波器。

為分析開關(guān)電路結(jié)構(gòu)及PIN管本身參數(shù)對互調(diào)及諧波產(chǎn)物的影響，選取了不同的電路結(jié)構(gòu)形式、PIN管型號進(jìn)行了測試與對比，對問題進(jìn)行定位并進(jìn)行改進(jìn)。測試電路結(jié)構(gòu)有單串、雙串、單并、雙并、反串聯(lián)共五種，根據(jù)電路設(shè)計，單串、雙串、反串聯(lián)結(jié)構(gòu)主要測試正向?qū)〞r的互調(diào)產(chǎn)物，單并、雙并結(jié)構(gòu)主要測試反偏時的互調(diào)產(chǎn)物，PIN管型號分別為MACOM的MA4P7104和MA4P7470，其主要區(qū)別在與最小載流子壽命、反向耐壓及I層厚度。

互調(diào)產(chǎn)物測試系統(tǒng)如圖5所示，帶通濾波器1和2用于信號源之間的隔離，防止信號源反串產(chǎn)生互調(diào)信號，帶通濾波器3濾除進(jìn)入頻譜儀的主峰信號，防止頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生互調(diào)信號[10]。將輸入頻率分別設(shè)定為F1=100MHz、F2=209MHz，帶通濾波器1和2中心頻率固定，調(diào)整信號源1和2的輸出使得經(jīng)過功率合成器后的功率為0dBm，改變帶通濾波器3的中心頻率，在頻譜儀上分別測試出109MHz，309MHz、318MHz及409MHz的互調(diào)信號。待測開關(guān)的電路形式分別采用單串、雙串、反串聯(lián)、單并、雙并五種結(jié)構(gòu)，對串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)改變其導(dǎo)通電流的大小測試相應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物，而對并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)則改變PIN二極管的反偏電壓測試相應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物。

圖5 開關(guān)電路互調(diào)測試系統(tǒng)原理圖

兩種PIN管的串聯(lián)和并聯(lián)電路在318MHz產(chǎn)生的三階互調(diào)測試結(jié)果分別如圖6和圖7所示，從圖6可以看出，反串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)的互調(diào)產(chǎn)物最小，雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)最大，同時在相同電路結(jié)構(gòu)下，MA4P7470的互調(diào)產(chǎn)物比MA4P7104要小其互調(diào)特性更好。從圖7所示的并聯(lián)電路測試結(jié)果可以看出單并電路結(jié)構(gòu)互調(diào)產(chǎn)物特性優(yōu)于雙并電路結(jié)構(gòu)，在反壓較低時，MA4P7470互調(diào)特性較好，在反壓增大時，二者基本接近。在三階互調(diào)測試時，可以看出不管是串聯(lián)還是并聯(lián)電路其互調(diào)很容易可達(dá)-130dBm量級。同樣對另外一個互調(diào)產(chǎn)物419MHz進(jìn)行測試，其結(jié)果類似，說明PIN二極管的三階互調(diào)指標(biāo)比較容易滿足的。

圖6 串聯(lián)IM3測試(318MHz)曲線

圖7 并聯(lián)IM3測試(318MHz)曲線

圖8～圖11分別為309MHz和109MHz的串聯(lián)和并聯(lián)電路的二階互調(diào)產(chǎn)物測試曲線，測試結(jié)果表明兩種PIN管的二階互調(diào)產(chǎn)物明顯高于三階互調(diào)產(chǎn)物，且在正向電流很大或者反偏電壓很高的狀態(tài)下，其二階互調(diào)產(chǎn)物仍然很大，說明在寬帶應(yīng)用中，二階互調(diào)產(chǎn)物是主要的干擾因素。在串聯(lián)電路中，二階互調(diào)產(chǎn)物特性為反串聯(lián)最好，雙串聯(lián)最差，隨著正向?qū)娏鞯脑黾踊フ{(diào)產(chǎn)物逐步降低，在并聯(lián)電路中，單并結(jié)構(gòu)優(yōu)于雙并結(jié)構(gòu)。隨著反偏電壓的增加其互調(diào)產(chǎn)物逐步降低，其變化趨勢與三階互調(diào)特性是相同的。

圖8 串聯(lián)IM2測試(309MHz)曲線

圖9 并聯(lián)IM2測試(309MHz)曲線

圖10 串聯(lián)IM2測試(109MHz)曲線

圖11 并聯(lián)IM2測試(109MHz)曲線

MA4P7470與MA4P7104進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)中MA4P7104的互調(diào)特性優(yōu)于MA4P7470，這是因為MA4P7104具有更大的τ/W值，而并聯(lián)電路中MA4P7470由于能承受反向偏壓更高因此其互調(diào)特性也優(yōu)于MA4P7104。

3.3 解決措施及結(jié)論

通過以上電路結(jié)構(gòu)及兩種PIN二極管的測試數(shù)據(jù)表明，降低PIN管產(chǎn)生互調(diào)的措施有:

1)采用反串聯(lián)結(jié)構(gòu)降低非線性失真，使產(chǎn)生的失真分量相互抵消。

2)選用τ/W比率大的PIN管進(jìn)行串聯(lián)電路設(shè)計；

3)在正向?qū)〞r增加正向的導(dǎo)通電流提高PIN管的線性度指標(biāo)。

4)選用承受反偏電壓高的PIN管進(jìn)行并聯(lián)電路設(shè)計，并提高反向截止時的反偏電壓。

4 結(jié)語

本文首先對PIN二極管的工作原理及等效電路進(jìn)行了介紹，分析并設(shè)計了應(yīng)用于超短波頻段的高性能收發(fā)開關(guān)，針對該開關(guān)在實際應(yīng)用中存在的問題，討論了PIN二極管開關(guān)的非線性特性及其產(chǎn)生原因，選用了兩種PIN二極管分別測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯(lián)共五種開關(guān)電路結(jié)構(gòu)的二階及三階互調(diào)分量，從降低失真考慮，應(yīng)優(yōu)先采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如需采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以利用反級聯(lián)結(jié)構(gòu)的抵消特性來降低非線性失真。從降低PIN管在正向?qū)顟B(tài)產(chǎn)生失真考慮，要選用τ/w比率大的PIN管并適當(dāng)增加正向?qū)娏鱽斫档褪д?；從降低PIN管在反偏時產(chǎn)生的失真考慮，選用I層厚度大的PIN管并增加反壓來降低失真。

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PINDiodeSwitchDesignandNonlinearDistortionAnalysis

WU Yunzhong1LI Wenguang2TAN Bing2

(1.AVIC Shaanxi Aircraft Industry(group)Corportion Ltd, Hanzhong 723213)

(2.Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074)

PIN diode electronic switch is widely used in the antenna duplexer and RF channel switching.Due to the nonlinear characteristics, the switch will produce intermodulation distortion when it works in wide dynamic range or multi-tone signal is input.PIN diode switch applications has been introduced in this paper, the causes of the PIN diode’s nonlinearity are analyzed.The intermodulation distortion of switch circuits in different topological structures such as single series, double series, back-to-back series, single parallel and double parallel are tested and analyzed.The problems that exist in the broadband switch design are improved, and the technology of reducing the nonlinear distortion of PIN diode electronic switch are discussed.

PIN diode, switch, intermodulation distortion, harmonic distortion, nolinearity

2014年1月3日,

:2014年2月17日

吳云忠,男,碩士,工程師,研究方向:航電系統(tǒng)電子與通信。李文廣,男,碩士,工程師,研究方向:射頻微波器件。譚兵,男,碩士研究生,研究方向:電子開關(guān)設(shè)計。

TP303DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.050