PIN二極管在射頻電路中的應用

陳艷 南京恒電電子有限公司

PIN二極管在射頻電路中的應用

陳艷 南京恒電電子有限公司

在微波和射頻電路的設計中，PIN二極管被廣泛應用，是各種電子設備中重要部件。本文對PIN二極管工作原理進行了說明，并分析設計了PIN二極管應用于調射頻開關電路、衰減電路以及調制電路，以期提供參考。

PIN二極管 射頻開關 衰減電路 調制電路

PIN二極管作為一種特種微波半導體元件，廣泛應用于微波和射頻電路的設計中，具有許多優良的特點，例如：開關速度快、可控功率大、損耗低、反向擊穿電壓高等。另外，PIN二極管無論被正向或者反向偏置均可得到類似于短路與開路。因而，PIN二極管已經成為各種電子設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，主要表現在重摻雜的P區和N區之間還加油本征層，稱為I層。PIN二極管屬于兩端半導體元器件，通過在它的兩端通不同的直流電壓，I層載流子數量將發生改變。對PIN二極管正向偏置，末端區植入的電荷控制本征層電導率；對二極管反向偏置時，由于本征層的存在將使得二極管獲得極高的擊穿電壓，此時增大P和N區的距離可以降低PIN二極管的電容。因為PIN二極管作為一種偏流控制電阻器，具有低失真特性，并且其線性性能優良。PIN二極管與PN結二極管具有相同的伏安特性，但兩者的微波段區別明顯。偏置電流決定了PIN二極管本征層總電荷，因此對于微波信號只產生一個線性電阻，直流正偏置二極管阻抗很小，類似于短路，而直流反偏置時很大，類似于開路。總的來講，PIN二極管對于微波信號不會像普通二極管那樣產生非線性的整流作用。

2 開關電路設計

由于PIN二極管可以根據不同的射頻微波信號表現出不同阻抗特性，因此，利用直流電平信號對射頻微波信號進行控制，從而控制PIN二極管的阻抗，實現電路開關的功能。實際中，PIN二極管用作射頻開關均會產生一定的電抗和損耗電阻，應用中要求將降低這些影響。當用作串聯電路的開關時，隔插入損耗（IL）以及隔離度（I）為：

作為并聯電路開關時，IL和I分別為：

上式中：Z0—系統阻抗，f—測試頻率，Rx—正偏等效串連電阻，Cs—反偏等效結電容。

圖1顯示了PIN二極管在天線收發轉換器中的應用，通過對Bias1和Bias2控制信號的接收和發送控制天線信號收發轉換。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二極管天線收發控制器

3 衰減電路設計

衰減器的主要作用是探知系統插損的電路，例如Pi型T型插損探知衰減電路，電阻網絡即可作為簡單的衰減器。衰減器在射頻電路中廣泛使用，不僅可以隔離兩個放大級，而且可以通過對衰減器的控制從而達到信道APC和AGC的功能。

圖2 利用PIN二極管設計的可控衰減器

將兩個相同的PIN二極管串聯，如圖2方框內所示，相當于衰減模型的串聯電阻，這樣使得衰減電路的動態范圍明顯增加，偶次失真被消除。另外，也簡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，可以實現控制射頻信號的衰減。

4 調制電路設計

PIN二極管對于射頻信號可以表現出不同的衰減程度，可以利用這一特性設計出AM調制電路。由RF或微波單頻信號等射頻載波信號以及低頻調制信號（一般在DC—10MHz范圍內）共同完成其調制過程。PIN二極管偏置電流由低頻調制信號進行控制，通過PIN二極管的載波幅度大小的變化而產生調制波形。

5 結語

近年來隨著科學技術的不斷發展，PIN二極管被廣泛應用于射頻電路。通過直流特性控制PIN二極管的射頻阻抗，從而達到射頻信號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二極管的電路達到射頻開關、衰減器、調制器等功能。相信，未來的PIN二極管必然是朝著高頻率、大功率、低損耗的方向發展。

[1]徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業出版社，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。