陳艷 南京恒電電子有限公司

PIN二極管在射頻電路中的應(yīng)用

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在微波和射頻電路的設(shè)計(jì)中，PIN二極管被廣泛應(yīng)用，是各種電子設(shè)備中重要部件。本文對(duì)PIN二極管工作原理進(jìn)行了說(shuō)明，并分析設(shè)計(jì)了PIN二極管應(yīng)用于調(diào)射頻開(kāi)關(guān)電路、衰減電路以及調(diào)制電路，以期提供參考。

PIN二極管 射頻開(kāi)關(guān) 衰減電路 調(diào)制電路

PIN二極管作為一種特種微波半導(dǎo)體元件，廣泛應(yīng)用于微波和射頻電路的設(shè)計(jì)中，具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如：開(kāi)關(guān)速度快、可控功率大、損耗低、反向擊穿電壓高等。另外，PIN二極管無(wú)論被正向或者反向偏置均可得到類(lèi)似于短路與開(kāi)路。因而，PIN二極管已經(jīng)成為各種電子設(shè)備中的重要組成部分。

1 PIN二極管的工作原理

PIN與普通二極管不同，主要表現(xiàn)在重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)之間還加油本征層，稱(chēng)為I層。PIN二極管屬于兩端半導(dǎo)體元器件，通過(guò)在它的兩端通不同的直流電壓，I層載流子數(shù)量將發(fā)生改變。對(duì)PIN二極管正向偏置，末端區(qū)植入的電荷控制本征層電導(dǎo)率；對(duì)二極管反向偏置時(shí)，由于本征層的存在將使得二極管獲得極高的擊穿電壓，此時(shí)增大P和N區(qū)的距離可以降低PIN二極管的電容。因?yàn)镻IN二極管作為一種偏流控制電阻器，具有低失真特性，并且其線(xiàn)性性能優(yōu)良。PIN二極管與PN結(jié)二極管具有相同的伏安特性，但兩者的微波段區(qū)別明顯。偏置電流決定了PIN二極管本征層總電荷，因此對(duì)于微波信號(hào)只產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性電阻，直流正偏置二極管阻抗很小，類(lèi)似于短路，而直流反偏置時(shí)很大，類(lèi)似于開(kāi)路?？偟膩?lái)講，PIN二極管對(duì)于微波信號(hào)不會(huì)像普通二極管那樣產(chǎn)生非線(xiàn)性的整流作用。

2 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

由于PIN二極管可以根據(jù)不同的射頻微波信號(hào)表現(xiàn)出不同阻抗特性，因此，利用直流電平信號(hào)對(duì)射頻微波信號(hào)進(jìn)行控制，從而控制PIN二極管的阻抗，實(shí)現(xiàn)電路開(kāi)關(guān)的功能。實(shí)際中，PIN二極管用作射頻開(kāi)關(guān)均會(huì)產(chǎn)生一定的電抗和損耗電阻，應(yīng)用中要求將降低這些影響。當(dāng)用作串聯(lián)電路的開(kāi)關(guān)時(shí)，隔插入損耗（IL）以及隔離度（I）為：

作為并聯(lián)電路開(kāi)關(guān)時(shí)，IL和I分別為：

上式中：Z0—系統(tǒng)阻抗，f—測(cè)試頻率，Rx—正偏等效串連電阻，Cs—反偏等效結(jié)電容。

圖1顯示了PIN二極管在天線(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)Bias1和Bias2控制信號(hào)的接收和發(fā)送控制天線(xiàn)信號(hào)收發(fā)轉(zhuǎn)換。電路中的二極管分別為UM2310以及UM2010，電路的低失真特性良好。

圖1 PIN二極管天線(xiàn)收發(fā)控制器

3 衰減電路設(shè)計(jì)

衰減器的主要作用是探知系統(tǒng)插損的電路，例如Pi型T型插損探知衰減電路，電阻網(wǎng)絡(luò)即可作為簡(jiǎn)單的衰減器。衰減器在射頻電路中廣泛使用，不僅可以隔離兩個(gè)放大級(jí)，而且可以通過(guò)對(duì)衰減器的控制從而達(dá)到信道APC和AGC的功能。

圖2 利用PIN二極管設(shè)計(jì)的可控衰減器

將兩個(gè)相同的PIN二極管串聯(lián)，如圖2方框內(nèi)所示，相當(dāng)于衰減模型的串聯(lián)電阻，這樣使得衰減電路的動(dòng)態(tài)范圍明顯增加，偶次失真被消除。另外，也簡(jiǎn)化了匹配和偏置電路，但是也增加了插入電路的耗損。在此電路中，控制衰減電壓幅度，可以實(shí)現(xiàn)控制射頻信號(hào)的衰減。

4 調(diào)制電路設(shè)計(jì)

PIN二極管對(duì)于射頻信號(hào)可以表現(xiàn)出不同的衰減程度，可以利用這一特性設(shè)計(jì)出AM調(diào)制電路。由RF或微波單頻信號(hào)等射頻載波信號(hào)以及低頻調(diào)制信號(hào)（一般在DC—10MHz范圍內(nèi)）共同完成其調(diào)制過(guò)程。PIN二極管偏置電流由低頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制，通過(guò)PIN二極管的載波幅度大小的變化而產(chǎn)生調(diào)制波形。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PIN二極管被廣泛應(yīng)用于射頻電路。通過(guò)直流特性控制PIN二極管的射頻阻抗，從而達(dá)到射頻信號(hào)按照不同程度衰減的效果。利用不同的直流偏置和射頻電路模式可以是配置有PIN二極管的電路達(dá)到射頻開(kāi)關(guān)、衰減器、調(diào)制器等功能。相信，未來(lái)的PIN二極管必然是朝著高頻率、大功率、低損耗的方向發(fā)展。

[1]徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[2]肖林立.PIN二極管原理及其在射頻增益控制放大器中的作用[J].電子測(cè)試，2017(5):36-36.

陳艷，1989.08，女，漢，江蘇鹽城建湖，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。