（电路与系统专业论文）微波数字式移相器的研究.pdf

微波数字式移相器的研究 摘要 移相器在通信、雷达等系统中有着广泛的应用。尤其在相控阵雷达中，微 波数字式移相器是大量应用的关键部件。这种雷达通过电的方式控制天线孔径 面上各辐射单元的相位变化，以实现波束的快速扫描，使其具有灵活、变化快 速、多功能等优点，适应战备需要。移相器的移相位数越多，对波束的控制越 精细，但同时移相器及其控制电路也越复杂。可见，对移相器的要求很高，必 须重视研究。 。 本文对微波数字式移相器的基本理论进行了较深入的研究；综述了各种微 波数字式移相器电路的工作原理，着重对加载线式移相器电路进行了理论分析， 并根据计算公式作出一系列相应设计曲线；提出利用软件a n s o f ts e r e n a d e8 7 所提供的测量数据拟合功能，通过测量s 参数来确定p i n 二极管等效电路参数 的新颖实验方法；利用微波电路设计软件a n s o f ts e r e n a d e8 7 对6 位数字式移 相器电路进行仿真、优化设计，做出样品，并对其性能测试分析，对研制微波 数字式移相器具有重要的参考意义。 关键词：数字式移相器加载线式移相器p i n 二极管a n s o f ts e r e n a d e8 7 r e s e a r c ho fm i c r o w a v e d i g i t a l p h a s es h i f t e r a b s t r a c t p h a s es h i f t e ri sw i d e l ya p p l i e di n t h es y s t e mo fc o m m u n i c a t i o na n dr a d a r e s p e c i a l l y f o rp h a s e d a r r a yr a d a r , m i c r o w a v ep h a s e s h i f t e ri s a l l i m p o r t a n t c o m p o n e n t a n du s e di nm a n y p a r t so f p h a s e da r r a yr a d a r p h a s ea r r a yr a d a rc a ! ls c a n b e a m sf a s tb yc o n t r o l l i n gt h ep h a s eo fr a d i a t o re l e m e n t si nt h ea n t e n n aa p e r t u r es u r f a c e ， w h i c h s h o w s m a n y e x c e l l e n c e ss u c ha sa g i l i t y , c h a n g ec e l e r i t ya n dm u l t i f u n c t i o n t h e r e f o r e ， p h a s ea r r a yr a d a ri sf i tf o rt 1 1 en e c e s s i t yo fc o m b a tr e a d i n e s s f o rp h a s es h i f t e r , m o r e b i t si th a s ，f i n e rb e a m si tc a nc o n t r o l ，a n dm o r ec o m p l e xi ta n di t sc o n t r o lc i r c u i t a r e s i n c ew eh a v em a n y h i g hr e q u e s t sf o rp h a s es h i f t e r ，w em u s t a t t a c hi m p o r t a n c e t ot h er e s e a r c ho fi t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sb a s i cp r i n c i p l eo fm i c r o w a v ed i 酉t mp h a s es h i f t e rd e e p ly ， r e v i e w sd i f f e r e n tt h e o r i e so fa l lk i n d so fm i c r o w a v ed i g i t a lp h a s es h i f t e rc i r c u i t ，a n a l y z e s l o a d e d - l i n ep h a s es h i f t e ri nd e t n la n dd r a w sd e s i g nc t l r v e sa c c o r d i n gt of o r m u l a s a n dt h i s p a p e rp r e s e n t s an o v e l m e t h o d ，w h i c h m a k e su s eo f m o d e l i n g s i m u l a t i o nt h a t s o f t w a r e a n s o f ts e r e n a d e8 7p r o v i d e st oe v a l u a t ep a r a m e t e rv a l u e so fp i nd i o d e st h r o u g h sp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t t h e n ，ak i n do f6 一b i td i g i t a lp h a s es h i f t e rc i r c u i ti sd e s i g n e da n d s i m u l a t e dt h r o u g hs o f t w a r e - a n s o f ts e r e n a d e8 7 f i n a l l y , a na c t u a lc i r c u i tb o a r do ft h e p h a s es h i f t e rc i r c u i ti sm a d e ，a n d i t sp e r f o r m a n c ei st e s t e da n da n a l y z e d a l la b o v ei sv e r y m e a n i n g f u l f o rr e s e a r c ho f m i c r o w a v e d i g i t a lp h a s e s h i f t e r k e yw o r d s ：d i g i t a lp h a s e d s h i f t e rl o a d e d l i n e p h a s e d s h i f t e rp i nd i o d e a n s o f ts e r e n a d e8 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得垒l 王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：窍，三醉签字日期：声牛年【 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权。f ) 学位论文者签名：霉j ；j l 签字日期：御牛年牛月盯日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 终于要结束求学生涯，离开校园，回想过去，感慨万千! 七年的大学生活， 尤其是三年的研究生生活，于我，有欢乐，有悲伤。美好的回忆，我会永远放 在记忆的深处；悲伤的过往，我更会去珍藏，它帮助我成长。在这期间无数老 师同学和亲人朋友给予我的关心与帮助，使我难以忘怀! 衷心的感谢我的导师孟庆鼐教授。与孟老师近五年的相处，对我不仅是在 学术上，更是在做人、做事原则上有着全方位的深刻影响，我所取得的点滴进 步无不浸透着孟老师的心血。尤其在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论 文的过程中，自始至终得到了盂老师的悉心指导，无论从课程学习、论文选题， 还是到收集资料、论文成稿，都倾注了孟庆鼐老师的心血，由衷感谢孟老师在 学业上的指导及各方面所给予我的关心。老师广博的学识、严谨的治学作风、 诲人不倦的教育情怀、刻苦钻研兢兢业业的工作态度和平易近人的作风，使我 深受启迪，受益匪浅，为自己在日后的学习工作树立了良好的榜样。在此向导 师致以最诚挚的感谢! 在从事课题研究期间，我得到了中国电子科技集团3 8 所接收部张德智工程 师、李佩工程师的悉心指导，获得了蔡德林主任全力支持和帮助。在他们的大 力指导和帮助下，我绳隧顺利地完成了课题研究，并提高了从事实际科研工作 的能力。在此也向他们致以我由衷的感谢! 感谢研究生院和计算机与信息学院的领导和老师给予我的帮助和教诲! 感 谢在课题研究过程中所有列出和未列出的被引用文献的作者! 最后，我要衷心的感谢我的父亲、母亲和妹妹背后默默的支持，他们给了 我无尽的关怀，鼓舞着我一直前进，他们是我生命中永远坚强的后盾! 正是他 们的支持和帮助，才使我得以安心学习，顺利完成研究生学业。 作者：宋静 2 0 0 4 年4 月 第一章绪论 1 1 微波控制电路及器件 在微波技术领域，需要对信号参量进行控制的场合很多，例如控制电路的 通断、衰减量的大小、相移量的多少等等。控制时要求迅速而准确，这是机械 方法所难以做到的。最初的典型微波控制电路是天线收发开关。随着多波束雷 达、相控阵雷达、微波测量技术以及微波中继、卫星技术等方面的发展，出现 了一大批电控的微波控制电路，如微波开关、微波调制器、微波限幅器、电控 衰减器、数字式移相器等1 1 1 。 根据所控制的信号参量的不同，微波控制电路可分为三个种类： ( 1 ) 微波开关、脉冲调制器等，用于控制微波信号传输路径的通断或转换； ( 2 ) 电控衰减器、限幅器、幅度调制器等，用于控制微波信号的大小； ( 3 ) 移相器、调相器等，用于控制微波信号的相位。 按控制方式分类，微波控制电路又可以分为它控和自控两种。它控是指由 外加的控制功率来改变微波固体器件的工作状态，进而改变电路的参量达到控 制信号的目的，如电控衰减器、微波调制器、移相器等。自控是由微波功率本 身的大小来改变微波固体器件的工作状态，从而对电路进行控制。微波限幅器 就是其中之一，当通过限幅器的微波功率超过某一阈值时，其衰减就迅速增大， 限制了通过功率的进一步增大，起到了“限幅”的作用。 微波控制器件，是微波控制电路的核心，如p i n 二极管、砷化镓场效应三 极管、变容管及肖特基势垒管等微波固体器件，它们由于结构上的特点，宜于 和微带电路相结合，故常用于混合微波集成电路( h m i c ) 中。除此之矽h ，。微 波铁氧体也是一种微波控制器件，它有着对应的适用范围。 1 1 1 微波移相器及其应用 作为微波控制电路的一个种类，微波移相器主要针对制微波信号的相位进 行控制以满足系统的需要。 微波移相器在雷达、通信、仪器仪表、重离子加速器及导弹姿态控制系统 中有着广泛的应用前景。集成电控移相器一般分为数字和模拟两类，所谓数字 式移相器是指其相位的变化是跳变的，不能连续变化，一般利用p i n 二极管作 为开关元件进行控制，它移相精度高，功率大：模拟式移相器相位的变化是连 续的，常采用变容二极管进行控制。 尤其需要着重说明的是，数字式移相器在相控阵雷达中的应用，而这也是 数字式移相器最主要的应用领域。相控阵雷达是一种采用电扫描方式工作的雷 达系统，它利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束 在空间扫描，实现对多目标的搜索和跟踪，其具有功能多、机动性强、反应时 间短、数据率高、抗干扰能力强及可靠性高等诸多特点，是现代雷达发展的一 个重要分支。相控阵雷达中有上千个发收( t r ) 组件，而每个组件都要需要 一个数字式移相器，因此移相器的性能体现了t r 组件的性能，进而体现了相 控阵雷达的性能，如其相移步长、状态转换速率以及稳定性、可靠性、重量等 因素会分别影响天线扫描波束的跃度、采集数据率以及t r 组件的使用性、重 量，而移相器的成本也会成为整个雷达系统成本高低的决定性因素之一。 基于微波移相器广泛的应用领域，特别是其在军事方面的应用，如何采用 先进的工艺手段，设计和生产出体积小、重量轻，性能指标优良，工作稳定可 靠的微波移相器，一直是微波工程师关注的重点之一。 1 1 2 微波移相器的发展现状与趋势 微波移相器的理论在上世纪五、六十年代已经得到详细地论述并被逐步完 善，而随着同时期微波领域内的两大技术变革：微波固体有源器件的研制及微 波平面传输线的深入研究和实用化，微波移相器的实现形式也由波导、同轴线 过渡到微带线，出现了移相器的混合微波集成电路( h m i c ) ，其后在计算机仿 真技术的辅助下，其电路的设计精度日益提高，电路性能的计算也更加有效、 精确了。在近二十年，半导体材料及工艺的发展使得单片微波集成电路( m m i c ) 成为微波电路领域内的研究热点，这其中当然包括移相器的m m i c 。目前，在 国外，已有若干型号的移相器m m i c 芯片被研制出来并投放市场；而在国内， 由于需要超精细的半导体工艺设备和技术，所以只有少数科研单位展开了 m m i c 的研究和开发工作，但受基础设施的限制，进展比较缓慢。但从发展的 角度来看，m m i c 移相器电路将是未来移相器电路研究设计的重点。 i - 2 本课题的来源及意义 本课题来自中国电子科技集团公司第三十八研究所，是相控阵雷达t r 组 件课题中的个预研课题，其任务是对6 位数字式移相器电路从计算机仿真优 化设计一投产制造一后期人工调试、实现6 4 个相移状态的这一整个过程的研 究。 从目前来看，虽然m m i c 是未来微波技术领域的研究趋势，而且也已有若 干m m i c 移相器电路芯片被生产出来投入市场，但是在国内其仍处于试制、试 用的研究阶段，而且从性能上分析，m m i c 微波移相器虽然能够做到体积小， 集成度高等优点，但是在相移精度、插入损耗等性能上并不是很出色，没有 h m i c 微波移相器的性能优越，而且从目前来看，由于种种原因m m i c 微波移 相器也没有条件在全频段大规模的投入应用。故从电路的性能指标、功率容量、 价格等角度出发，h m i c 移相器仍具有应用优势，是现阶段设计和使用的重点， 因此对其进行优化设计以期提高电路性能，仍是具有实际意义的。除此之外， 它的设计理论也是m m i c 的设计依据，所以从将来的发展趋势上观察，对它的 学习研究也是必要的，有着一定的借鉴作用。 1 3 本论文的主要内容及结构 本文针对数字式移相器的理论分析和设计作了一定的研究，分析了6 位数 字式移相器电路的设计原理，并使用微波c a d 软件a n s o f ts e r e n a d e8 7 辅助设 计，从而生产制造出处于研制阶段的6 位数字式移相器电路，并对其性能进行 测量、分析，归结成文。 本论文包括以下几个方面的内容： 第一章介绍了微波移相器的应用、发展现状及趋势，并说明了本课题的来 源及意义。 第二章对数字式移相器电路的控制器件一p i n 二极管的基本性能进行了分 析阐述，着重提出了一种新颖的p i n 二极管的等效电路参数的测量方法，并且 将其应用到实际测量中，获得一组p i n 二极管的等效电路参数。 第三露详细介绍了四种数字式移相器的电路结构及它们的工作原理，并且 还就它们的性能参数、优缺点、适用相移范围进行了说明。 第四章着重针对二元加载线式移相器的移相原理进行了说明，并对三种加 载电路结构进行了讨论，同时作出了其电路参数的设计曲线图，其次又分析了 主传输线的电长度0 的取值可能性。最后对支线安装器件式加载电路的设计过 程进行了介绍，并列举了若干经典电路实例。 第五章提出了6 位数字式移相器电路的具体设计方案，并利用微波c a d 软件a n s o f ts e r e n a d e8 7 进行了优化设计，分析了仿真结果。此后又对移相器 电路的p c b 版图、调试过程及试验结果进行了分析说明。最后，将所得的电路 性能进行比较分析和比较。 第六章是对全文的总结，并对今后的工作提出了一些看法。 第二章微波p i n 二极管及其等效电路参数测量方法的研究 2 1 引言 在雷达、微波测量、微波中继和卫星通信等诸多系统中，都广泛地使用到 微波控制电路。而在各种微波控制电路中，p i n 二极管是目前应用极为普遍、 也是极为重要的控制器件，它具有良好的开路、短路特性，且控制速度快，微 波损耗小，可控功率容量大。这些p i n 管微波控制电路可以完成多掷开关、多 位移相以及限幅、衰减等各种功能，适用于微波高频段和高功率的电路环境中。 2 2p i n 二极管工作原理及其基本特性 2 2 1p i n 二极管工作原理 p i n 二极管的结构是在重掺杂的p + 和n + 中间，加一层宽度较长的不包含载 流子的本征层，或称i 层。而p i n 二极管的工作原理不仅利用了载流子在i 层 的贮存效应，而且还利用了i 层渡越时间效应。 实际的p i n 二极管，由于材料和工艺上的原因，1 层中也包含一些杂质。 当i 层掺杂少许n 型杂质时，称为p + yn + 管；当掺杂少许p 型杂质时，称为 p + nn + 管。从微波观点来看，这两种类型的p i n 二极管并无区别，只不过是形 成p n 结的实际位置依i 区所取材料的不同而不同【2 j 。 图2 1 ( a ) 给出了p + y n + 管的结构。而图2 1 ( b ) 为其零偏压时的空间 电荷分布。p + 区的空穴和n + 区的电子分别向y 层扩散，平衡时p + y 形成的空间 电荷区主要落在低掺杂的y 层，而 n + 结由于浓度差相对小，形成的空间电荷 区较薄，在图2 1 ( b ) 中予以忽略。因此零佩时y 层包括一部分耗尽区， 一部分未耗尽区( d 一) 。这种情况和p n 结类似，因此，在零偏时平衡状态 的p i n 二极管无净电流。与p n 结不同的是，由于i 层杂质浓度低，所以耗尽 区是很宽的，即使是非耗尽区，载流子的浓度也很低。故零偏压时，p i n 二极 管呈现高阻抗。 当p i n 二极管上施加反向偏压时，与p n 结类似，耗尽区展宽，反向电流 很小。当反向偏压加到使整个y 层都变为耗尽区时，称为“穿通状态”，此时的 反向偏压称为穿通电压或扫清电压，记为一。管内空间电荷分布如图2 一l ( c ) 所示。当反向偏压大于穿通电压后，耗尽层进一步扩展，但进入载流子浓度很 高的p + 和n + 区内的部分是很窄的，可以忽略不计。由此可见，p i n 二极管在反 向偏压时的阻抗比零偏时更大，但在穿通后近似不变。需要注意的是，穿通电 压不是击穿电压，p i n 二极管的反向击穿电压有几十伏、几百伏，甚至上千伏。 当施加正向偏置电压时，p + y 和y n + 两个结都是正偏的，所以耗尽区很窄。 p + 区空穴和n + 区电子分别向i 层注入，由于i 层本身载流子浓度极低，因此是 4 卜一d 叫 i p +，o )+ i ( a ) 空间呵 卜一 荷密度 + ? + + + + r 、l 0 0 ( b ) 空间吲 茼密度 j + ：+ 1 00 ( c ) ( a ) p i n 二极管管芯结构 ( b ) 零偏压置时空间电荷分布 ( c ) 反向偏置穿通状态时空间电荷分布 图2 - 1p i n 二极管的空间电荷分布剖面图 靠注入的空穴和电予作为相互复合的载流子。它们边复合边扩散，靠直流偏压 维持注入，形成一个稳定的载流子分布。当载流子寿命f 很大、扩散长度大于 i 层宽度d 时，空穴与电子在i 层近似均匀分布，并满足电中性条件，所以空穴 密度p 与电子密度n 近似相等，并且远大于本征层载流子浓度。因此，在i 层 中贮存的电荷量为 q o = q ，= 9 ，= e p a d = e n a d 式中a 为结面积。靠偏置电源不断地补充复合掉的空穴和电子，所以形成复合 电流为 厶：鱼 r 而此时i 层电阻率大大下降，p i n 二极管呈现低阻。正向偏压越大，注入载流 子越多，q 0 越大，厶越高，同时i 层电阻r j 越小。因为i 层的电导率盯是由空 穴和电子两种载流子决定，所以r 为 n ddd 2 d 2 。 硎 ( 删p + e n l t 。) ae p ( u p + 。) a di o r ( # ，+ 。) 式中 g 、u ，分别为空穴、电子的迁移率。该式说明r ，与i o 成反比，而由p i n 二极管结构可知，正偏时p i n 二极管阻值主要由i 层的r ，决定。因此通过调节 p i n 二极管正向偏置电流，可改变其阻值。 2 2 2 基本特性 1 对低频信号呈现的整流特性 p i n 二极管在低频时和一般p n 结二极管一样，具有整流作用1 4 j 。 以p + y n + 管为例，其工作机理可作如下表述。在零偏压时，由于扩散作用， 在p + 层和靠近p + 层的i 层区域内分别建立起带负电和带正电的空间电荷层，即 耗尽层，且两者电荷相等。由于此两空间电荷层所产生的电场的作用，阻碍了 载流子的继续注入，故只有在开始的瞬间有载流子注入，但其又因为迅速复合 而消失，故保持不导电状态。当施加反向偏压时，管中的空间电荷层更厚，甚 至扩展到n + 层，不导电的程度更甚。一旦在p i n 二极管的两端加上正向偏压后， 情况会发生很大的改变。由于外加正向电场的作用，使得空间电荷层变薄，势 垒变低，载流子可以开始注入。尽管仍存在复合作用，但由于外加电压的存在， 使得载流子源源不断地得到补充，最后保持平衡状态，此时i 层中仍有大量的 符号相反数量相等的载流子存在，i 层处于所谓“等离子态”，即是导电状态。 其导电的实质是带正、负电的载流子源源不断地由两边向i 层注入，然后复合 而消失，好像电流是在川流不息地通过p i n 二极管，这就是所谓“导通”状态。 正因为p i n 二极管具有不同的正反向特性，所以它可以作为整流元件，而 且由于不同于一般二极管的结构，使得其在加反向偏压时可承受较高的击穿电 压，亦即可处理较大的功率。 2 对微波信号呈现的阻抗特性1 9 】 p i n 二极管所具有的整流作用会随着工作频率的提高而逐渐变弱，最后甚 至完全消失。对于一般的p i n 二极管，当其工作频率高于l m h z 后，它的整流 作用就消失了。其原因在于工作频率的提高，使得正、负半周期的时间变短， 以至于p i n 二极管跟不上这个变化。具体而言，当信号从负半周期变为正半周 期时，正、负载流予将从i 层两侧注入，但其扩散需要一段时间。在载流子尚 未扩散到i 层中间时，外加信号已经改变极性。因此在正半周期内，i 层尚未真 正导通。同样，当信号从正半周期变为负半周期时，正、负载流子向i 层的注 入立即停止，i 层中尚存的正负载流子由复合作用而减少，此时电量q 遵循下 一， 列规律递减：q = q o e7 ，其中q 0 为起始电量，f 称为载流子的寿命，表示载 流子从注入到复合消失的短暂时间，故公式的物理意义可理解为：经过时间t 后电量减少到起始时的二。f 取决于不同的材料、杂质浓度和工艺。对于一般 e p i n 二极管所采用的硅材料，f 约为0 - 1 2 微秒。当信号频率为1 m h z 时，其 半周期已短至0 5 微秒，和载流子寿命相当甚至还要更短一些。因此在负半周 期中，i 层的载流子来不及复合，没有达到完全的“反向”状态，而此时正半 周期又开始了。 综上所述，当频率升高，特别是微波工作频率的情况下，p i n 二极管不能 作为一个整流或检波元件使用，而且它对微波频率的正半周期和负半周期的响 应己没有显著区别，可以近似地作为一个线性元件来使用。但是，当使用比受 控微波电压幅度小得多的外加直流偏压对p i n 二极管的特性进行控制时，利用 管中载流子在i 层的贮存效应和渡越时问效应，p i n 二极管就可以作为控制器 件被广泛地应用于微波电路中。 p i n 二极管的静态伏安特性如图2 2 所示。现在，可以分析在直流偏压的 作用下，p i n 二极管对微波信号的工作情况： 首先，考虑正向偏置状态。设正向偏置电流为。，微波电流幅度为，总 的瞬时电流为 i = i o + 1 1 s i n c o t 图中信号表示p i n 二极管上所施加的微波电流幅度远大于直流偏置的情况， 即i ， i o ，如图所示，表面看来，负半周的一部分将会被截止，实际却并非如 此。因为当p i n 二极管处在正向偏置电流，。的作用下时，i 层中必然存储有电 荷q o ，此电量q 0 的数值可以近似地求得：o o = i o f ， 其中r 即为上面所介绍的 载流子寿命。当幅度为，的微波电流在负半周大部分处于反向状态，可近似地 认为负半周电流都处于反向且等于，。，则在负半周期中从i 层抽出的载流子量 为： 驴f t i 。s i n c o t d t ：等 图2 - 2微波信号作用于p i n 二极管时的情况 它与原积累电荷a o 比较起来是很小的。例如，若令载流子寿命f = 1 脚，正向偏 置电流i 。= 1 0 m a ，微波信号频率f = 1 g h z ( 周期t = l n s ，远小于t ) ，微波电 流幅度i = 1 a ，则可计算得： 堕：玉兰：土。f 。3 1 g2 1 l c o2 1 1 可见，既使i 1 0 ，只要国r 足够大，在负半周期中从i 层抽出的电荷q 就仅 仅是存储量q 0 的极小部分，i 层中仍有大量载流子存在，p i n 二极管仍然保持 导通状态。故形式上似乎是截止的微波信号负半周，实际上还是导通的。 由上可见，p i n 二极管i 层的总积累电荷基本上是由偏置电流产生的，而 不是由微波电流瞬时值产生的。因此p i n 二极管微波电阻只取决于偏置电流， 故图2 2 中信号和信号的微波电阻相同，而且p i n 二极管整流特性完全失 效。对于某一确定的偏流状态，不论加到二极管上的微波信号幅度有多大( 小 于或大于偏流值) ，p i n 二极管好比一个线性电阻( 不具有单向导电性) ，其阻 值由偏流决定。所以很小的正向偏置电流j 。完全可以保证在微波大信号整个周 期内p i n 二极管导通，微波信号始终作用在正向状态。 其次，考虑反向偏置状态。在p i n 二极管反偏时叠加上微波信号，即使交 流幅度很大，致使正半周有部分时间使管子处于正向电压作用下，如图2 - 2 信 号所示，但由于在如此短暂时间内正向注入载流子很少，而且在i 层渡越尚 未来得及构成复合电流时，就因交流电压反向而返回并“吸出”。因此，p i n 二 极管i 层形成不了大量的载流子积累，而始终维持在由反偏压所决定的高阻状 态。 p i n 二极管的上述特性发生在信号周期比载流子在i 层渡越时间短得多的 情况下。可以看出，p i n 二极管在微波信号下的电阻特性取决于i 层中所存在 的电荷数量，因此p i n 二极管被称为“电荷控制器件”。 综上所述，p i n 二极管的微波阻抗主要取决于直流偏置的极性和大小，而 与交流信号幅度几乎无关。反偏时，p i n 二极管呈现高阻抗，近似为开路状态； 正偏达一定偏流时，p i n 二极管呈现低阻抗，近似为短路状态，因此可构成微 波开关或移相器电路。如果连续调节正向偏流，则可改变p i n 二极管的阻抗值， 用于电控衰减器。而且可利用小功率的直流来改变p i n 二极管工作状态，用以 控制大功率的交流，这是p i n 二极管作为控制元件的一大优点。 2 3p i n 二极管等效电路 2 3 1 正向偏压下p i n 二极管管芯的等效电路 在正向偏置状态下，p i n 二极管管芯的等效电路如图2 - 3 所示。其中r ，为 i 层( 实际为层或y 层) 的电阻，c s 为正向注入的载流子在i 层边界上产生 电荷储存所引起的扩散电容，r ，则是p + 、n + 区小电阻、欧姆接触电阻和引线 电阻一起等效而成的串联电阻。通过分析可知，在正向偏置状态下，由于p + 、 n + 区的载流子向i 层注入，随着正向偏压的加大，吩会很快地由几欧姆以上而 减小到1 臼以下。而c ，的数量级为几个p f ，即 使在微波频率下，其容抗还是远大于r ，故可将 其忽略，可把月，和月归并为一个正向电阻r 。， 即r ，= r ，+ r ，。一般的p i n 管在正向偏流为几r ， 十毫安以上情况下，其正向电阻不会超过几欧 姆。 = = c 足= 辱屿 图2 - 3正向偏置p i n 管管芯等效电路 2 3 2 零偏及反向偏压下p i n 二极管管芯的等效电路 在零偏和反向偏置状态下，p i n 二极管管芯的等效电路较为复杂，需根据 电压的大小分情况讨论1 1 1 ： a ) 在零偏压或反向电压较小，小于穿通电压k ，时，i 层处于未穿通状态， 则整个i 层分为耗尽区和非耗尽区两个部分，其情形如图所示2 - 4 ( a ) 。 其中耗尽区以电阻月，和电容c 并联来表示，r ，是耗尽区的电阻，其值 很大，在肘臼以上；c 为p + n 结( 对p + yn + 管) 或pn + 结( 对p + n + 管) 的 结电容，其大体上可利用突变结电容公式来计算，约等于十分之几p f 。非耗 尽区由电阻月。和电容c 并联组成，其中r 约为几k c 2 的量级，这是因为非耗尽 区中包含了少量的载流子，故其电阻值要比耗尽层小一些，而其电容c 也在十 分- z ) lp f 的量级。r ，为电极和引线电阻 为了简化起见，可将图示2 - 4 ( a ) 的等 率下，通常会考虑到r ，x ，2 五1 r 及r ，并 耗尽区的阻抗 = 再r i ( - j x , ) = 塑r 篙2x 掣2 = 静r 2 x2 * 华r2 = 荨r 峭 r | 一j xjj+jj+jj| 、j 非耗尽区的阻抗= 墨! 二丛! ! ：墨! ! 二盟塑l 竖立 r ，一弘， r 。2 + x ，2= 符z 华r= 等r 一肛 尼+ 2 。 故有z 层的总阻抗= 等一鹎+ 鲁一，= ( 等+ 矧叫 剐 这样，就可以把并联形式的管芯等效电路近似地变换为串联形式的等效电路， 如图2 - 4 ( b ) 所示。可以看出，因为r ，2 x ，r ，x ，所以串联电阻的阻值很 频一波一 微 在式形联串为 化则 转 ， 蝴上崛 。效 = 小，而串联电抗( 或串联电容) 的值则几乎保持不变。进一步分析，根据r ， r ， s j = x 产 ( a ) 未穿通状态时的等效电路( b ) 简化电路( c ) 进一步简化电路 图2 - 4零偏压或反向电压较小时p i n 二极管管芯等效屯路图 有等 等，故可将奇s 2 忽略，从而将等效电路更一步简化，如图所示z - 。 ( c ) 。 b ) 随着反向偏置电压逐渐增加，直至其大于穿通电压”此时i 层完全 穿通，则整个i 层全为耗尽区，可得如图2 - 5 ( a ) 所示的等效电路。 2 足 爿，2 r ， ( 怠) 穿通状态时( b ) 串联形式( c ) 串联形式进一步( d ) 并联形式 的等效电路简化电路简化电路简化电路 图2 - 5 反向电压大于穿通电压7 时p i n 二极管管芯等效电路图 其中，以电阻r 和电容c 来表示耗尽区，而r ，仍为电极和引线电阻。 之所以可以得到此等效电路图，是因为在反向偏置电压逐渐增加的过程中， 非耗尽区逐渐变薄，使得其阻抗也随之减小，到最后穿通时，非耗尽区的等效 阻抗变为短路，此时i 层的等效电路就完全由耗尽区的等效电路构成了。同时， 随着反向偏置电压逐渐增加，c 。逐渐减小，直至穿通后，c 成为以p + 、n + 两 层为极板、i 层为介质的平板电容器，当反向偏置电压继续加大时，它将保持 不变，容值恒定。可见当反向偏置电压大于穿通电压后，p i n 二极管的容值恒 定，不同于变容二极管。因此，p i n 二极管对微波信号基本上呈现为一个恒定 电容。 从简化或分析的角度出发，可将图2 5 ( a ) 所示的等效电路转化为串联形 1 0 苜一尽 + 譬 p 峨 = r 驴 珥 ，kr上t10 五一上l以蔓吩 ， x _ l t n r 峰r 蔓吩 墨r i i ， x ?i凡工t睁lrwf 式a 通常会考虑到在微波频率下r ，乃。麦，可得 耗尽区的阻抗= 篱：等鬻掣= 警* 学= 等嘲r ，一膨， r ，2 + 爿- 2r ，+ x ，2 r j 吩 。 故可得近似的串联等效电路，如图2 - 5 ( b ) 所示。 又因为在反向穿通后，如果i 层由电阻率很高的材料所构成，则电阻r ，数 值很大，竿极小，可进一步得到反向穿通后的等效电路，如图2 - 5 ( c ) 所示。 “i 其中，r ，为反向等效串联电阻，其值等于r ，和专l 的串联，近似地等于正向 电阻月。这在应用中是有利的，即满足了所谓的正反向偏置状态的等损耗条件， 有利于抑制寄生调幅。当然也可将等效电路的最终形式表示为并联形式如图 2 5 ( d ) ，此时r ，为反向等效并联电阻，阻值为r ，“竺争“乏l ，由前面的分析 v r 。 “一 可知r ，具有k o 的量级，而并联表示时的电容通过计算可知仍为c ，。 2 3 3 封装后p i n 二极管等效电路 由于在很多情况下，p i n 二极管的管芯必须安装在管壳中，所以有时就要 考虑封装等效电路，引入封装寄生参量。p i n 二极管的封装形式很多，包括螺 纹管座型、同轴型、带状线型、微带线型、梁式引线二极管型，它们的结构不 c 。c 。 ! r ， i ( a ) 考虑封装后的正向等效电路( b ) 考虑封装后的反向等效电路 图2 - 6考虑封装后的p i n 二极管等效电路 同，封装寄生参量也就不同。比较常见的封装等效电路如下图2 - 6 所示。其中， 虚线框内表示p i n 二极管的管：苍，三。为引线电感，通常为1 毫微亨( n h ) 量级； c 为管壳电容，通常为十分之几p f 的量级。在应用p i n 二极管时需根据具体 情况将这些因素考虑进去。 目前，由于制造工艺的不断完善，p i n 二极管管芯得到广泛地应用。这种 管芯结构由于没有管壳，所以没有管壳电容，同时所采用的金丝压焊技术和管 芯焊接且连接于电路中，因此引线电感也很小。此外在工艺过程中，管芯表面 已采用氧化膜及氮化膜的防护措施，故性能也较为稳定。 2 4 微波p i n 二极管等效电路参数的测量 2 4 1 测量方法 在前面的论述中，我们从p i n 二极管的电荷模型和导电过程出发，得到了 它在微波频率下的等效电路模型。对于电路的设计而言，p i n 二极管等效电路 模型中各个参数值的确定具有十分重要的意义。p i n 二极管主要应用于微波控 制电路中，而在微波控制电路设计中，往往是从p i n 二极管的等效电路出发， 由等效电路确定p i n 二极管在开、关两种状态下的网络参数，然后根据整个微 波控制电路的拓扑图，经过复杂繁琐的网络计算，得到控制电路网络在所需频 频段中心点的物理尺寸。对于频带外的工作状态，则要根据网络的传输函数以 及工作经验来分析、预测。因此等效电路参数值的确定是电路设计的第一步。 在常规设计中，工程技术人员一般直接使用厂家所提供的p i n 二极管等效 电路参数值。但在实际应用过程中，p i n 二极管等效电路参数值不仅因其型号 的不同而有很大的差别，而且还与具体的电路形式及工作频率有关。但厂家所 提供p i n 二极管的等效电路参数值往往都是在定的频率、偏压及温度下测得 的，与使用到p i n 二极管的具体电路的工作频率及工作环境有着相当大的差别， 从而会导致实际应用中等效电路参数值发生很大的变化。故为了得到准确的等 效电路，减小设计误差，可以做一些适当的测试电路，通过实际测量来获得或 验证p i n 二极管的等效电路参数值。 在已有的诸多文献中提出了很多种测量方法，其中有两种方法较为常用， 这就是隔离度测量法和反射系数测量法。所谓的隔离度测量法，就是将p i n 二 极管接到传输线上构成一个不连续性，通过对电路的隔离度的测量推导出正、 反偏置情况下p i n 二极管的等效电路参数。而所谓的反射系数测量法，则是将 待测p i n 二极管接在传输线的终端，通过对电路反射系数的测量来导出p i n 二 极管等效电路参数值。可以看出，这两种方法均不够直观、方便，它们都是借 助于测量电路的某种性能参数来分析推导p i n 二极管等效电路参数值，这其中 所涉及的计算过程会影响计算出的等效电路参数值的精确度。而且这两种方法 都有一定的适用频率范围，一旦与p i n 二极管实际应用频率范围不符，则用这 些方法所测得的参数值的有效性就要受到置疑。除此之外，这两种测量方法对 测量过程中的测量条件都有着诸多的严格要求，而且在由测量数据推导等效电 路参数值的过程中其理论计算也较为复杂。 故在本次课题研究的过程中，提出了一种新颖的p i n 二极管等效电路测量 方法，它的原理十分简单、直观，即是优化仿真电路的p i n 二极管等效电路参 数值，认为优化得到的等效电路参数值就是p i n 二极管实际的等效电路参数值。 2 这种方法免除了电路性能参数的计算过程，直接利用电路的s 参数作为分析推 导的依据，使得整个电路仿真计算得到的s 参数与对实际测试电路进行测量所 得到的s 参数值相一致，减少了推导过程中的干扰因素和复杂度，提高了最终 结果的精确度。在整个测量过程中，所采用的计算机辅助软件是a n s o f t 公司推 出的针对微波电路系统的设计仿真软件s e r e n a d e8 7 ，充分利用它所提供的模型 拟合功能完成上述的s 参数拟合过程，从而仿真优化得到最终的p i n 二极管等 效电路参数值。 2 4 2 利用a n s o f ts e r e n a d e8 7 软件研究等效管参的测量方法 1 测量电路构建 在本次课题中，所采用的是a l p h a 公司的a p d 0 8 0 5 ，0 0 0 型号的p i n 二极管， 其说明书所给出的主要等效电路元件参数：c = o 0 5 p f ( 在1 m h z ，5 0 v 下) 、 r 。= 2 0 ( 在5 0 0 m h z ，1 0 m a 下) 。它是一种无封装的管芯结构，在显微镜下进 行电路焊接，可通过金丝压焊将其并联焊接在微带电路上。 接 网 仪 出 量 析 输 p 2 图2 7p i n 二极管实际测试电路示意图 在实际测量电路的设计中，利用5 0 0 的微带线作为传输线，将待测的p i n 二极管并联于传输线上，则具体测试电路的结构与尺寸如图2 7 所示。其中隔 直电容c = c ，= 3 6 0 p f ，而电感l = 6 8 0 n h 和限流电阻r = 2 7 0 0 共同构成集中 参数偏置电路为p i n 二极管提供正反偏压。 将此测试电路板安装于通用测试架( u t f ，u n i v e r s a lt e s tf i x t u r e ) 上，使用 矢量网络分析仪进行测量，分别测出p i n 管处于正、反向偏置状态下这个二端 口网络在f = 3 3 5 g h z 工作频段范围的s 参数，并以幅度和相位的形式存于 o n d a t 和o f f d a t 文件中。 2 仿真电路建立 使用s e r e n a d e 8 7 设计仿真微波电路，在电原理图编辑器中输入电路的拓扑 结构和参数，其中p i n 二极管以其等效电路的形式表示，并附加引线电感 l = l n h 。需要注意的是，这些等效电路参数值是可优化的，即可变参数。 p i n 二极管在正向偏置状态下，其设计仿真电路形式如图2 - 8 所示，图中 主传输线的尺寸与实际测试电路相一致，并根据实际测试电路的情况在主传输 线上并联接入两条支路，其中左侧为偏置电路，表示+ 3 5 伏的直流电压通过取 值分别为2 7 0 - 0 和6 8 0 n h 的电阻、电感作用与p i n 二极管；右侧的并联支路则 为p i n 二极管的等效电路，其中= l n h 为引线电感，而“r e s ”则为p i n 二极 管正向偏置时的等效电阻，其赋值“? 0 11 1 51 0 0 7 ”表示电阻可在0 1 1 0 0 口 的范围内优化取值。最后将此仿真电路保存为m o d e l s c h 子电路。与其并列的 另一子电路m e a s s c h 为符号形式，表示一个仅知其外部特性而内部结构未知 的二端口网络，由其属性定义f i l e ：o n t i p 说明此二端口网络的s 参数为o n 1 i p 中的数据，而o n t i p 中数据即为o n d a t 中数据的代入。最后，构造顶层电路 o n s c h ，其是将m e a s 和m o d e l 两个子电路模块并联。 弋- l o p t 莘蚤 h l ： l b l 0 5鐾 广 o 骂 h ：g 8 m me r ：j j 8 v ：j 5 【a h a 【：u b s - b 图2 - 8 p i n 二极管正向偏置状态下的仿真电路 ，h u ：二辜l 冉l o p t：星，8l ，r_1b l 量 5t 高 h 8 1 m 眠：5 3 日 。冀j 蚤 图2 - 9 p i n 二极管反向偏置状态下的仿真电路 同样地，p i