PIN二極管開關設計及其非線性失真分析*

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

PIN二極管開關設計及其非線性失真分析*

吳云忠1李文廣2譚兵2

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

PIN二極管電子開關廣泛應用于天線的收發轉換，完成射頻信號的通道切換。由于非線性特性，其在大動態及多音信號輸入時會產生互調失真。論文介紹了PIN二極管的開關應用，設計了一款工作在100MHz～400MHz的高性能收發開關，根據實際使用中出現的問題分析了PIN管的非線性產生的原因，測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯等開關電路的互調失真情況并進行分析，改進了寬帶開關設計中存在的問題，最后對降低PIN管電子開關的非線性失真技術進行了討論。

PIN二極管;開關;交調失真;諧波失真;非線性

ClassNumberTP303

1 引言

射頻開關作為微波控制電路的重要部件而被廣泛應用于通信、雷達和電子對抗系統中。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用于各種微波控制電路中[1]。

本文設計了一款頻率為100MHz～400MHz的寬帶收發電子開關，該開關發射通道采用雙串聯結構，接收通道采用雙串聯及反串聯結構提高隔離度，通過對PIN管的選取、匹配電路設計及微帶線布局來實現對開關的插損、隔離度、駐波比的要求，功率容量及線性度指標通過選取適合的PIN管、合理的開關結構及提高反偏電壓來滿足要求。采用串聯結構使開關驅動部分得到簡化，縮小了開關體積并改善了開關切換時間。

當有微波信號通過時，特別是大功率信號，在PIN管正向導通狀態，引起I層電導率的抖動，在反偏狀態，引起PIN管反偏結電容的抖動，I層電導率的抖動和反偏結電容的抖動都引起了信號的失真。針對該開關在實際應用中的由于多個接收頻率產生的非線性信號干擾問題，分析了PIN管的非線性產生的原因，測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯等開關電路的互調失真情況并進行分析，通過比較改進了寬帶開關設計中存在的問題，最后對降低PIN管電子開關的非線性失真技術進行了探討。

2 PIN二極管在電子開關電路中的應用

2.1 PIN二極管結構及等效電路

PIN二極管是一種PN結器件，結構如圖1所示，在P型和N型接觸區加入一薄層低摻雜的I層本征半導體，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生，而不是由微波電流瞬時值產生，所以其對微波信號只呈現一個線性電阻。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[2～3]。

圖1 PIN管結構

圖2 PIN管正偏、反偏、非線性等效模型

正偏時其導通電阻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，A為PN結的面積。

同時在PIN管為正偏的時其二階交調截點和三階交調截點分別估算如下:

(3)

(4)

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

2.2 PIN二極管在開關電路的應用

PIN二極管具備寬范圍的射頻阻抗以及低失真的優點，非常適合制造高性能的電子開關。配合正確的電路和激勵設計，PIN二極管可以處理高達幾十瓦的大功率電平。設計處理中等功率電平的開關，只要選擇合適的二極管和開關拓撲結構，可以在不到100ns的時間內完成開關動作。

PIN開關電路大致可分成并聯結構和串聯結構兩種基本形式。串聯方式適合寬頻率范圍，較小插入損耗情況；并聯方式適合寬頻率范圍，較大隔離的電路中，這種結構的優點是它具有較低的插入損耗，又由于PIN管并聯接地散熱較好，所以這種結構也有較高的功率容量。將串聯及并聯結合還可以形成串并聯結構以及TEE結構，其中串并結構中串聯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PIN管，使得對電路帶寬的擴展和隔離度的提高都有很明顯的改善，應用較為廣泛[4～5]。

3 PIN二極管開關電路設計

根據應用需求設計一個工作頻率為100MHz～400MHz的超短波寬帶電子開關，發射通道損耗小于0.5dB，接收通道損耗0.7dB，發/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。寬帶開關電路原理圖如圖3所示，其中RFin為公共端，TX/RX分別為收發端，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二極管導通，D3、D4、D5、D6均反偏，開關TX端導通，此時僅有兩個PIN管導通因此損耗較低，發/收隔離度采用有四個PIN管反偏保證設計要求；當Port1=Vpp、Port2=0V時，D1、D2反偏截止，D3、D4、D5、D6均正偏導通，開關RX端導通，其損耗比發射通道略大。

圖3 100～400MHz寬帶開關電路原理圖

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

圖4 接收通道損耗、駐波比測試曲線

4 PIN開關電路非線性影響分析

在實際應用中開關的公共端與超短波天線直接連接，在接收狀態下，外部存在多個工作在10MHz～600MHz的大功率發射設備，主要有2MHz～30MHz、87MHz～108MHz、108MHz～174MHz、192MHz～209MHz、225MHz～400Mhz、500MHz～600MHz等工作頻率范圍，這些設備在發射功率大，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射設備的信號約在0dBm～15dBm范圍內，而PIN二極管開關自身具有非線性失真，在多個的大信號輸出時會產生互調失真和諧波失真，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，就會嚴重干擾電臺的接收工作。

4.1 非線性特性分析

互調分量是影響射頻系統性能的一個重要的非線性指標。當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頻率與信號頻率非常接近，無法用濾波器濾除，因此該互調信號會嚴重影響系統的信號檢測和識別。一般可用麥克勞林展開式進行非線性失真分析，或者采用Pspice的二極管電路模型進行仿真計算[6～9]。

當外部發射工作在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，經過分析，主要是互調信號干擾了接收機的正常工作。針對100MHz～400MHz以外的信號，在開關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范圍內的互調干擾問題。選取發射機工作為100MHz和209MHz，其超短波頻段內的互調頻率分別為109MHz、309MHz及318MHz，需要對該互調信號進行處理，避免其它設備單獨或同時發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二極管開關的線性度，降低其自身產生的互調分量，同時在后級增加子帶通濾波器。

為分析開關電路結構及PIN管本身參數對互調及諧波產物的影響，選取了不同的電路結構形式、PIN管型號進行了測試與對比，對問題進行定位并進行改進。測試電路結構有單串、雙串、單并、雙并、反串聯共五種，根據電路設計，單串、雙串、反串聯結構主要測試正向導通時的互調產物，單并、雙并結構主要測試反偏時的互調產物，PIN管型號分別為MACOM的MA4P7104和MA4P7470，其主要區別在與最小載流子壽命、反向耐壓及I層厚度。

互調產物測試系統如圖5所示，帶通濾波器1和2用于信號源之間的隔離，防止信號源反串產生互調信號，帶通濾波器3濾除進入頻譜儀的主峰信號，防止頻譜儀內部產生互調信號[10]。將輸入頻率分別設定為F1=100MHz、F2=209MHz，帶通濾波器1和2中心頻率固定，調整信號源1和2的輸出使得經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的互調信號。待測開關的電路形式分別采用單串、雙串、反串聯、單并、雙并五種結構，對串聯電路結構改變其導通電流的大小測試相應的互調產物，而對并聯電路結構則改變PIN二極管的反偏電壓測試相應的互調產物。

圖5 開關電路互調測試系統原理圖

兩種PIN管的串聯和并聯電路在318MHz產生的三階互調測試結果分別如圖6和圖7所示，從圖6可以看出，反串聯電路結構的互調產物最小，雙串聯結構最大，同時在相同電路結構下，MA4P7470的互調產物比MA4P7104要小其互調特性更好。從圖7所示的并聯電路測試結果可以看出單并電路結構互調產物特性優于雙并電路結構，在反壓較低時，MA4P7470互調特性較好，在反壓增大時，二者基本接近。在三階互調測試時，可以看出不管是串聯還是并聯電路其互調很容易可達-130dBm量級。同樣對另外一個互調產物419MHz進行測試，其結果類似，說明PIN二極管的三階互調指標比較容易滿足的。

圖6 串聯IM3測試(318MHz)曲線

圖7 并聯IM3測試(318MHz)曲線

圖8～圖11分別為309MHz和109MHz的串聯和并聯電路的二階互調產物測試曲線，測試結果表明兩種PIN管的二階互調產物明顯高于三階互調產物，且在正向電流很大或者反偏電壓很高的狀態下，其二階互調產物仍然很大，說明在寬帶應用中，二階互調產物是主要的干擾因素。在串聯電路中，二階互調產物特性為反串聯最好，雙串聯最差，隨著正向導通電流的增加互調產物逐步降低，在并聯電路中，單并結構優于雙并結構。隨著反偏電壓的增加其互調產物逐步降低，其變化趨勢與三階互調特性是相同的。

圖8 串聯IM2測試(309MHz)曲線

圖9 并聯IM2測試(309MHz)曲線

圖10 串聯IM2測試(109MHz)曲線

圖11 并聯IM2測試(109MHz)曲線

MA4P7470與MA4P7104進行比較可以發現，串聯電路結構中MA4P7104的互調特性優于MA4P7470，這是因為MA4P7104具有更大的τ/W值，而并聯電路中MA4P7470由于能承受反向偏壓更高因此其互調特性也優于MA4P7104。

3.3 解決措施及結論

通過以上電路結構及兩種PIN二極管的測試數據表明，降低PIN管產生互調的措施有:

1)采用反串聯結構降低非線性失真，使產生的失真分量相互抵消。

2)選用τ/W比率大的PIN管進行串聯電路設計；

3)在正向導通時增加正向的導通電流提高PIN管的線性度指標。

4)選用承受反偏電壓高的PIN管進行并聯電路設計，并提高反向截止時的反偏電壓。

4 結語

本文首先對PIN二極管的工作原理及等效電路進行了介紹，分析并設計了應用于超短波頻段的高性能收發開關，針對該開關在實際應用中存在的問題，討論了PIN二極管開關的非線性特性及其產生原因，選用了兩種PIN二極管分別測試了單串、雙串、單并、雙并、反串聯共五種開關電路結構的二階及三階互調分量，從降低失真考慮，應優先采用并聯結構，如需采用級聯結構，可以利用反級聯結構的抵消特性來降低非線性失真。從降低PIN管在正向導通狀態產生失真考慮，要選用τ/w比率大的PIN管并適當增加正向導通電流來降低失真；從降低PIN管在反偏時產生的失真考慮，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:電子開關設計。

TP303DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.050