射频控制电路

第12章射频控制电路 教学重点 能力要求 本章目录 第一节射频开关第二节射频移相器第三节射频衰减器第四节射频限幅器 知识结构 12 1射频开关 12 1 1PIN二极管 微波开关利用PIN管在直流正 反偏压下呈现近似导通和关断的阻抗特性 实现了控制微波信号通道转换的作用 a基本PIN结横截面图 b正偏 c反偏 正偏条件下的电阻记为Rs 与偏置电流IF 成反比 使PIN结二极管在高频下有很好的隔离度 b 为正偏时等效电路 当PIN结反偏或者零偏时 本征层I内的电荷被耗尽 表现出高电阻 Rp 如图 c 所示 其中CT为PIN结二极管的总电容 包括了结电容Cj和封装寄生电容Cp 12 1射频开关 12 1 2GaAsFET 在典型的开关模式中 当栅源负偏置在数值上大于夹断电压即 时 漏源之间电阻很大 可视为一个高阻抗状态 当零偏置栅电压加载到栅极时 则产生一个低阻抗状态 FET的两个工作区域可以用图 a 形象表示 FET中与电阻性和电容性区域相关的部分如图 b 所示 FET开关的线性工作区域 FET开关的横截面图 12 1射频开关 12 1 3电路设计 1 结构组成 我们有两种基本结构可以采用来设计控制RF信号沿着传输线传输的简单的单刀单掷 SPST 开关 如图所示 串接开关器件及高 低阻等效电路 并联开关器件及高 低阻等效电路 这两种结构是对称的 对于并联结构 当器件处于高阻抗状态时信号就传递到负载 对串联结构 器件低阻状态才允许信号传输 12 1射频开关 2 插入损耗和隔离度 插入损耗定义为理想开关在导通状态传递给负载的功率与实际开关在导通状态真正传给负载功率之比值 常以分贝数表示 如果用表示在理想开关负载两端的电压 则插入损耗IL可写为 其中是实际负载两端电压 对于串联结构通过分析可以得出 则插入损耗为 12 1射频开关 对并联结构负载两端电压应为 此时插入损耗为 式中 G和B是开关器件在高阻状态下导纳Y的实部和虚部 隔离度定义为理想开关在导通态传给负载的功率与开关处于断开态时传递到负载实际功率之比 它是开关在断开态时开关性能的度量 对串联结构 当器件在高阻状态时处于 断开 状态 此时的隔离度也是由R和X用高阻状态下相应值代入给出的 同理 并联结构是由式用低阻状态下的G和B值给出的 12 1射频开关 3 性能改善 由串联开关的插损和隔离度的公式可以看出 开关电路的性能受器件电抗X或电纳B的影响 因此可以通过改变器件电抗来改善开关的性能 高阻抗状态的总导纳可用接一个与电容并联的幅度相等的感性电纳来降低 这既可安装一个集总电感 也可加入一段短路 小于1 4波长 短截线来达到 图画出了这两种方法的具体电路 高阻状态下开关器件电容采用 12 1射频开关 4 单刀双掷开关 单刀双掷开关 SPDT 在任意时刻总有一个支路闭合 SPDT开关有串联和并联两种基本结构 如图所示 SPDT的串联和并联结构 在串联结构中 当开关器件SD1在低阻状态和器件SD2在高阻状态时 输入信号到输出1 否则到输出2 图 b 所示的并联结构基本原理与串联相同 当器件SD1在高阻状态 而器件SD2在低阻状态时 信号路径到输出1 否则到输出2 因此 在这两种结构中不管哪一种 在任何时间 总有一个器件在低阻状态而另一个器件在高阻状态 12 1射频开关 下图给出了两类SPDT结构的性能 开关器件是MA 47899pin二极管芯片 该设计的中心频率为3GHz 对于并联安装开关 插入损耗随频率变化限制带宽 采用两个pin二极管的SPDT开关典型插入损耗和隔离度性能曲线 12 1射频开关 5 串 并联开关结构 图 a 是一种最简单的串 并联开关结构 当串联器件在低阻状态和并联器件在高阻状态时 该开关是 通 当串联器件在高阻状态而并联器件在低阻状态时 开关在 断 状态 图 b 是等效电路 串 并联开关结构等效电路 从简单电路分析 插入损耗可写为 隔离度为 12 1射频开关 我们如果在串 并联结构中采用多个开关器件 就能够得到超宽带开关 这一基本概念包含了利用T型网络结构 当串联器件在低阻状态 电感 而并联电路在高阻状态 电容 时像一个低通滤波器 当在串联和并联开关器件上的偏置电平互换时 网络特性像高通滤波器 在低于截止频率上具有高插入损耗 三个器件T形结构示例 12 1射频开关 6 开关速度的考虑 1 开关器件所致速度限制 开关速度术语与测量 当pin二极管用作射频开关时 限制开关速度的主要因素是当二极管偏置从正偏到反偏切换时 从本征区域移动电荷需要的时间 即存储电荷的耗尽时间 此外 要提高pin二极管开关速度 在厚度W相同的情况下 可以采用GaAs二极管代替Sipin二极管来实现 因为在砷化镓中电子迁移率约是硅中4倍 所以GaAs二极管有更快开关速度 以及较低激励电流的需求 12 1射频开关 2 由偏置网络所致开关速度限制 若把直流偏置作为一个单独端口 则一个单刀单掷开关电路可视为三端口网络 如图所示 为保证RF信号不通过偏置端口泄漏 在其偏置端口上需接一个低通滤波器 同理 为保证直流偏置 开关脉冲 不干扰电路其他部分 在RF的输入输出端上也需要高通滤波器 其最简单形式 高通滤波器是简单在输入 输出两端加隔直流电容 但是此滤波器会增加开关脉冲上升时间 因此降低了开关速度 开关电路三端口网络表示 12 2射频移相器 12 2 1概述 微波移相器是相控阵雷达 卫星通信 移动通信设备中的核心组件 它的工作频带 插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度 以及系统的重量 体积和成本 因此研究移相器在军事上和民用卫星通信领域具有重要的意义 各种微波移相器类型 12 2射频移相器 12 2 2移相器的主要技术指标 1 工作频带 移相器工作频带是指移相器的技术指标下降到允许界限值时的频率范围 2 相移量 移相器是两端口网络 相移量是指不同控制状态时的输出信号相对于参考状态时输出信号的相对相位差 3 相位误差 相位误差指标有时采用最大相移偏差来表示 也就是各频点的实际相移和理论相移之间的最大偏差值 有时给出的是均方根 RMS 相位误差 是指各位相位误差的均方根值 12 2射频移相器 传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比为电压驻波比 用VWSR表示 5 电压驻波比 4 插入损耗和插入波动 插入损耗的定义为传输网络未插入前负载吸收功率与传输网络插入后负载吸收功率之比的分贝数 6 开关时间和功率容量 开关元件的通断转换 有一个变化的过程 需要一定的时间 这就是开关时间 移相器的开关时间主要取决于驱动器和所采用的开关元件的开关时间 移相器的功率容量主要是指开关元件所能承受的最大微波功率 开关的功率容量取决于开关导通状态时允许通过的最大导通电流和截止状态时两端能够承受的最大电压 12 2射频移相器 12 2 3开关线型移相器 一位开关线型移相器的基本构成如图所示 两只单刀双掷开关用作信号通路 交替地经过两个中的一个 一位开关线型移相器 传输路径长度为或 当信号通过较长的路径时 它产生附加相位延迟为 从公式可以看出这类移相器一个有趣特性 其相移差值直接与频率成正比 由于这一特性 开关线型移相器也叫做开关时间延迟网络 其时间延迟为 12 2射频移相器 开关线移相器原理简单 结构上容易实现 但是几个技术问题需要注意 1 在开关线型移相器设计中一个共同的问题是开路谐振所引起的问题 2 在移相的整个工作过程中 移相器的输入端和输出端之间一直处于导通的情况 因此要求在两种状态下输入端都要良好匹配 此外还要求两种移相状态下插入损耗要小 并且要尽可能相等 否则两种移相状态下输出信号大小不同 这将引起寄生调幅 3 开关的两条移相线相互距离要足够远 避免传输线间相互耦合造成信号衰减和相位误差 12 2射频移相器 12 2 4加载线型移相器 说明加载型移相器基本机理的电路 加载线型移相器常用于对和移相设计 在这种电路中 移相原理如图中所示 入射波经历的移相决定于归一化电纳b B r 由b引起的反射为 电压传输系数则可以写成 所引入的相位差为 12 2射频移相器 12 2 5反射型移相器 反射型移相器的基本原理是在均匀传输线的终端接入电抗性负载 利用开关变换负载的阻抗特性 从而改变负载反射系数的相位 使入射波与反射波之间产生相移 反射型移相器的基本概念 产生可转换系数的子网络有两种不同类型 在第一类 端接线电抗变化 例如从电感变成电容 在第二类移相器电路中 外加线长度用单刀单掷 SPST 开关在反射平面上加入 反射型移相器 12 2射频移相器 利用1 4波长的变换网络移相器其基本组成如图所示 采用1 4波长变换网络反射型移相器 是为了产生所希望的相移 从器件向里 网络 看的阻抗 所以 线长度的选择是使得阻抗在低阻状态应为 其结果为 所以 对位将有 从而得出 12 2射频移相器 12 2 6高通 低通滤波器型移相器 高通 低通滤波器型移相器属于开关网络移相器 是由开关线移相器发展而来的 开关网络由高通和低通滤波器组成 当微波信号通过高通滤波器时 相位超前 通过低通滤波器时 相位滞后 信号在两滤波器电路之间转换时 实现相移 用于开关网络移相器的滤波器 图 a 所示网络归一化ABCD矩阵可写作 12 2射频移相器 以归一化ABCD矩阵来表达传输系数为 传输相位由下式给出 当和两者都改变符号时 如图 b 所示 相位保持相同幅度而改变符号 幅度不变 因此在低通和高通网络之间切换所引起相移由下式给出 12 2射频移相器 为了移相器匹配 需要 由于考虑的是无损情况 从而得到 因此相移可以仅用项来表达 为 由此还可以得到 12 2射频移相器 12 2 7放大器型移相器 1 调谐双栅MESFET移相器 在这种设计中 双栅MESFET的第二栅 靠近漏极 用作信号输入栅极 而第一栅 靠源级较近 用作控制栅 像MESFET放大器设计情况一样 在输入和输出二极管上两端都需要匹配电路 调谐电抗接在第一栅和地之间 控制输出信号和输入信号之间相移的控制电压加在栅极1上 由于改变器件参数 如栅极1至源极电容 和外接调谐阻抗 它可能是串联电感 之间相互作用就获得相位控制 调谐栅双栅MESFET移相器方框图 12 2射频移相器 2 采用可切换SPDT放大器有源移相器 这类移相器结构如下所示 输入信号在两个相同放大器之间切换 在其中一个放大器输出端附加一线段长度产生所需的相位 这两路信号在功率合成电路中相加 Wilkinson功率合成器引入3dB损耗 且从放大器有用增益看 这3dB损耗认为是不严重的 这种设计的优点是电路移相部分与其它设计无关 利用SPDT放大器的移相器方框图 12 2射频移相器 3 分段栅极MESFET移相器 为了设计数字移相器 需要增益能以重现的数字式变化 双栅MESFET的总控制栅极宽度被分成几段 信号栅极段为共同的 而控制栅被分割成几段 一个栅极相应于每一段栅极区 第二栅极段每一个引出与外部相接 使得MESFET的各段可选择 通 或 断 切换 分段双栅器件电路表示法 12 3射频衰减器 12 3 1数字衰减器 1 设计方法 数字衰减器的零状态衰减值应当设计得尽可能地低 对于大多数应用 附加的衰减直接影响链路预算 选择具有最小插入损耗的器件非常重要 另一个重要的要求是功率处理能力 通常指定为输入三阶交调截点 IP3 对于无线应用 较小的尺寸 容易实现的控制电路应重点考虑 数字衰减器在电子系统和电子设备中有广泛的应用 例如在卫星通信中 集束网络 BFN 往往需要利用衰减器进行信号幅度的控制 相应的控制器件有PIN管 GaAsMESFET等 相比可变衰减器 数字衰减器在宽频带内有更高的衰减精度 更优良的电压驻波比和更大的衰减动态范围 但有相对较大的参考态插入损耗 而相比PIN管 GaAsMESFET有极低的功耗 极快的速度 因而得到迅猛推广应用 需求量剧增 12 3射频衰减器 2 分段双栅FET技术 下图给出了分段双栅FET电路的示意图 在射频微波频段 我们可以使用双栅GaAsFET器件来获得等相位但不同增益的通路 在这种结构中 双栅FET的栅极1和漏极端口分别用做输入端口和输出端口 栅极2用做控制终端 栅极1被偏置在要求的增益量状态 栅极2被偏置在饱和状态 开状态 当栅极2偏置逐渐增加到夹断状态时 双栅FET的增益降低 而传输相位不变 分节双栅FET衰减器的示意图 12 3射频衰减器 3 开关式衰减器 图 a 为开关衰减器的结构 在该衰减器中 两个SPDT开关用于在直通线和参考线之间变换信道 如果所需衰减值超过4dB 则可以使用T或型电阻网络结构 其中的电阻可以是GaAs台面电阻器或芯片制造工艺中可获得的专用镍铬合金电阻器 Gupta使用的宽带SPDT开关示意图如图 b 所示 其可用的上限频率由SPDT开关本身的隔离度决定 由于开关不含有任何电容性元件 因此对性能没有下限频率限制 开关衰减器示意图 SPDT开关的示意图 12 3射频衰减器 4 开关式比例型FET 下图给出了开关式比例型FET结构的示意图 开关式比例型FET技术在连接输入和输出端口的两条通路上使用了不同尺寸的FET 不使用外电阻性网络来获得期望的衰减值 而是利用不同对开关式FET的开状态电阻值之差达到选择的衰减量 因此 该技术适用于达到2dB的较小衰减比特数 对于开关式比例型FET结构 需要加入额外的短传输线节 用于均衡衰减参考通路长度 开关比例型FET结构示意图 12 3射频衰减器 5 开关式T型桥衰减器 开关式T型桥衰减器由一个经典的T型桥衰减器和一个并联与串联FET组成 一个开关式FET并联在桥电阻的两端 另一个开关式FET与分流电阻串联 两个FET的开或关实现了零状态和衰减状态之间的切换 其值由T型桥衰减器决定 T型桥衰减器自身提供了良好的输入 输出匹配 开关式T型桥衰减器的结构示意图 12 3射频衰减器 6 开关式T形和形衰减器 开关式T型和型衰减器与上述结构是相似的 只是衰减器拓扑结构表现为T型或型形式 单个电阻性元件能够开关进入或推出电路 故这一技术也称之为开关式电阻器法 这种衰减器的结构示意图如图12 44所示 Bedard和Maoz使用型结构验证了工作频率达到10GHz的衰减器设计 尽管它与T型桥衰减器结构相似 但是 该技术使用了非常小的FET 与开关式衰减器相比 具有更低的插入损耗 开关式T形或形衰减器的结构示意图 12 3射频衰减器 7 线性度考虑 随着对微波数字和模拟衰减器的需求日益增大 数字和模拟衰减器主要用于信号调节与控制以满足无线通信行业的初期要求 这种需求促使了许多GaAs供应商已为不同的通信系统及不同的频段应用提供了高性能元件并大量应用在4GHz以下频段 对于诸如信号电平控制的应用 参考状态插入损耗最小化是一个关键要求 当基于系统考虑时 我们还要考虑线性度 因为衰减器是RF系统链路中的一部分 设计者必须确保元件具有足够的线性度余量 衰减器线性度可采用类似于放大器线性度定义的方式来定义 即衰减器插入损耗增大1dB时的工作点位1dB压缩点 这个参量通常定义在输入端 而不像放大器是定义在输出端 此外 一些商家也提供了基于两载波测量的三阶交调截点数据等 12 3射频衰减器 12 3 2模拟衰减器 1 PIN二极管衰减器 可变衰减器的一个重要特性是它的输入阻抗保持不变 使得衰减器在整个工作范围内保持匹配 实现的方法之一是图中所示的型网络 电阻型网络作为pin衰减器 为了匹配 网络阻抗对右侧并联后应该等于 那就是 衰减比可写为 消去得 从而可得 12 3射频衰减器 2 MESFET衰减器 MESFET可以直接成T型或型结构 如图 a 和 b 所示 对于MESFET的衰减器 所用基本器件机理是用栅极电压控制来改变零偏的FET的低场电阻 此时MESFET可以用R和C并联组合模型来表示 如图 c 和 d 所示 电阻和值是栅极电压的函数 该电阻R从0偏值 变到当栅极电压达到夹断电压时值 而电容和值几乎恒定 采用MESFET的T型 a 和 c 和型 b 和 d 衰减器网络及等效电路 12 3射频衰减器 12 4 1用于限幅的各种现象 1 整流 微波半导体二极管所显示的三种现象可作限幅器 这是在较低频率最常用的限幅技术 如图所示 基本电路 a 采用了两只整流二极管 b 为关系 c 正弦波钳位 当输入超过限幅门限时获得 较低频率时采用的限幅技术 12 3射频衰减器 2 电容随电压变 变容二极管的结电容大小由电压决定 且在微波频率上的快速响应足以表现其特性 如图 a 所示 如果两只二极管极性相反的并联安装 得出特性曲线表示在图 b 中 当二极管用在并联谐振电路时得到的反射系数 其变化为输入功率的函数 同时在高功率时也出现整流现象并且产生附加限幅 这类限幅器的耐功率能力较低 变容二极管特性反向安装及特性曲线 12 3射频衰减器 3 RF电导调制 利用PIN限幅二极管的射频电导调制效应来实现对输入信号的衰减 即限幅器在输入高功率信号时 具有较高的信号衰减 在低的输入信号功率时 只有一个很小的插入损耗 pin二极管正偏时 自由载流子浓度在本征区不完全均匀分布 因载波子寿命有限 就出现了图 a 所示形状 现在假设去掉直流偏置且用如图 b 中所