Pin衰减器研究

PIN 管电调衰减器设计
一． 概述
本文描述了PIN 管电调衰减器的技术指标、工作原理和功能，内容涉及电路设计方法分析，关键器件选型，计算机仿真设计，并结合成本与设计难度等因素，给出了初步的设计方案。

1．引言
偏流控制的可变衰减器是重要的微波控制器件，主要用于电路系统的自动增益控制、功率电路的电平控制、放大器增益变化的温度补偿以及收、发电路的隔离保护等。

而电调衰减器的关键器件是PIN 二极管，它开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大，因此在射频高功率电路中经常采用PIN 管。

2．技术指标
工作频带
1930~1990MHz 衰减动态范围 0~20dB 插入损耗 1.5dB 回波损耗
<-14dB 衰减平坦度
1dB
二． PIN 管基本特性
电调衰减器的关键器件是PIN 二极管，它主要是利用PIN 管的特性来工作的。

PIN 管在射频信号与直流偏置同时作用时，其所呈现的阻抗大小主要决定于直流偏置的极性及其量值，而几乎与射频信号的幅度无关。

因此PIN 管可以用很小的控制功率来控制很大的射频信号功率。

.PIN 管在正向偏置时的等效电路如图1所示：
s R 的值很小，约在1欧姆左右；j C 为节电容；而j R 的数值与偏置电流有关，当偏置电流
为零时，j R 阻值呈现高阻抗，随着正偏电流的增大，j R 很快下降，当正偏电流继续增大时，
j R 继续减小并趋近于零。

利用PIN 管正向电阻随偏置电流变化的特性，便可做成各种类型的电调衰减器。

电调衰减器按产生衰减的物理原因可分成两类：反射型和吸收型。

在反射型衰减器中，衰减主要由PIN 管的反射形成；在吸收型衰减器中，衰减则主要由PIN 管的损耗形成。

j R
j C
s R
三． 电路设计方案分析
构成电调衰减器的电路类型很多，如两管匹配型衰减器，支路混合衰减器，3分贝定向耦合器型电调衰减器，平衡式电调衰减器，和吸收阵列式可调衰减器。

利用下图所示的方法可以设计出非常简单的单一PIN 二极管衰减器。

不过，在这样的设计中，很难达到良好的阻抗匹配，因为二极管的阻抗会明显随着偏压而改变。

又由于两管匹配型衰减器工作频带窄，支路混合器型电调衰减器的工作频带也受到功分器带宽的限制，吸收阵列式可调衰减器所用PIN 管数量多，成本高，综合以上考虑，本文提供两种电调衰减器的设计方案，即3分贝定向耦合器型电调衰减器和平衡式电调衰减器，这两种电调衰减器都采用了耦合元件，可有效的改善整个频带的VSWR 。

1． 3分贝90度电桥型衰减器
下图为典型的3dB 电桥型电调衰减器的电路原理图。

Port1为信号输入端，Port2为隔离端，另外两端为直通端和耦合端。

当理想的3分贝90度电桥各端接特性阻抗Z0时，输出端反射系数为0，（0=Γc ）输入端的功率在直通端和耦合端平分输出（相位相差90度），隔离端无输出，如果把隔离端作为输出端，则等效为无限大衰减；如果接在耦合端口的阻抗相等但不等于Z0时，则进入耦合端的功率将部分的反射回去，两路反射信号在隔离端同相合成，在输入端相位相差180°，互相抵消；如果完全反射（1=Γc ），则信号在隔离端完全输出，形成零衰减。

现在把Port2
作为输出端口，在两耦合端分别接上受正向偏流控制的PIN 管，当管子的电阻随偏流改变时，输出端口的输出功率便随之改变，从而构成电调衰减器。

只要两耦合端口所接的PIN 管一致性好，那么反射到输入端口的信号总能抵消，因此采用3分贝90度电桥结构大大提高了电调衰减器输入端口的匹配性能。

为了定量的描述衰减器的衰减特性，采用双端口网络方法进行分析，将上图变换为下图形式，整个双端口网络可以看成是AA,BB,CC,DD,EE,FF 子网络的组合。

经过AA,BB,CC,DD,EE,FF 子网络ABCD 矩阵的级联，易得网络GG 的ABCD 矩阵为：
[]⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=20
0213
0010222R jZ Z
j R R jZ jZ R jZ GG ABCD
换算成Y 矩阵得：
[]⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎢⎣⎡
++--
+-+=2021220210212
02102
12
2112)
(2)(22Z R R R Z R R Z R jR Z R R Z R jR Z R R R GG Y
又FF 子网络的Y 矩阵为：
[]⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎣⎡
=0000Z j Z j FF Y
可得整个双端口网络Y 矩阵为：
[][][]⎥⎥⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++-+-+=+=2
0212
20210212
020210212
02
211
2)
()()()(2Z R R R Z R R Z R R Z j Z R R Z R R Z j Z R R R GG FF Y Y
Y rk TotalNetwo
最后换算为S 矩阵，可得：
[][][]⎥
⎥⎥
⎥
⎦⎤
⎢
⎢⎢⎢
⎣⎡++-++-++-++-=+=))(()())(()())(()())(()(02012100201202102012
0210201
120Z R Z R R R Z Z R Z R Z R R j Z R Z R Z R R j Z R Z R R R Z GG FF S Y
Y rk TotalNetwo 则衰减器的衰减量为：)
)((202002012
2121
Z R Z R Z R R Log
S Log L ++--=-= 如果PIN 管的一致性很好，则R1=R2，设L Z R R ==21，则衰减器的衰减量为：
20Z Z Z Z Log
L L L +--= （1）
下图便是衰减器衰减量随PIN 管等效电阻变化曲线图。

但是从图中可以看出当L Z 接近特性阻抗50欧姆时，衰减曲线下降的很快，当衰减量大于20dB 时，就会影响衰减量设置的精确性；而且在闭环控制系统中，如AGC ，衰减曲线斜率正负的变化对控制的稳定性影响较大，考虑以上因素，采用下图所示的改进电路：
从图中可以看到每个PIN 管度并联了51欧姆的电阻，这样在改变PIN 管的可变电阻时，总的并联阻抗就不会超过特性阻抗51欧，衰减曲线的斜率就不会有正负的变化（斜率为负）；同理，如果是串联，衰减曲线的斜率就为正。

由式（1）可得：
20
200212110
1)
101(S S L Z Z +-= （0Z Z L ） 借助此式便可根据所需的衰减量的最小值和最大值得到对应的电阻值范围。

下图显示了衰减器衰减量随偏值电流变化曲线图。

2． 平衡式PIN 二极管衰减器
设计良好匹配电调衰减器的另一种方法就是采用平衡结构的电调衰减器。

一个理想的固定阻抗设计，会采用以两个正交耦合器作为输入与输出耦合元件的平衡结构，如下图所示。

如果正交耦合器是理想的，则所有反射的RF 都会传送到50 Ω终端。

因此，只要提供给0度与90度输出端口的负载阻抗是相同的，不管它们实际的阻抗值为何，在正交耦合器的输入端口所出现的阻抗将会是50 Ω。

平衡式设计也会提供比非平衡式设计高3 dB 的第三级截点（IP3）效能。

根据上图用Agilent 公司先进的设计仿真软件ADS 设计了如下电路，其中3分贝正交电桥采用了Lange 耦合器，Lange 耦合器是一种微带线耦合器，其工作带宽可超过一个倍频程。

其中PIN 管采用了MaCom 公司的MA4P202，其等效电路如下图所示：
设两个PIN 管的等效电阻为L Z R R ==21,利用和上述同样的分析方法可得到此电路所构成衰减器的衰减量为：1
2220+-=L L
Z Z Log
L
根据以上电路对衰减量最大和最小两种情况进行了仿真，工作频段为：1930-1990MHz ，偏置电流分别为最大值10mA 和最小值20uA ；在仿真中，将调谐电容CB 和Lange 耦合器的各特性参数都设为优化目标变量，目标函数值为：回波损耗<-13dB ，-21dB<最大衰减<-20dB ，0dB<最小衰减<1dB 。

以下便是两种情况下用ADS 仿真得出的结果: 1．最大衰减量的情况
2．最小衰减量的情况
1.92 1.94 1.96 1.981.90
2.00
-21.8
-21.6-21.4-21.2-22.0
-21.0freq, GHz
d B (S (2,1))
1.92
1.94
1.96
1.98
1.90
2.00
-15.0-14.5-14.0-13.5
-15.5
-13.0freq, GHz
d B (S (2,2))
1.92 1.94 1.96
1.98
1.90
2.00
-15.0
-14.5
-14.0
-13.5-15.5-13.0freq, GHz
d B (S (1,1))
1.92 1.94 1.96 1.981.90
2.00
-1.5
-1.0
-0.5-2.0
0.0
freq, GHz
d B (S (2,1))
1.92
1.94
1.96
1.98
1.90
2.00
-24.3
-24.1-23.9-23.7-24.5
-23.5freq, GHz d B (S (1,1))
1.92 1.94 1.96 1.981.90
2.00
-24.3-24.1-23.9-23.7-24.5
-23.5freq, GHz
d B (S (2,2))
四．关键器件说明
1）3dB电桥（Hybrid Coupler）
选用公司优选库中ANAREN公司的1W1305-3 ，其工作频带为1.6G—2.4G,下面是器件的各项参数。

也可选用REDITEK公司的RQH-1725F。

如果选用ANAREN公司的1D1304-3，频率为800MHz~1200MHz，则可直接演变为800MHz的衰减器。

2）PIN二极管
为了获得较大的衰减动态范围，在选用PIN管时一般采用I层较厚的管子。

对于第二种方案，PIN管可选用MACOM公司的MA4P202，工作频带为50M—18G，下表列出了管子的参数和特性曲线。

对于第一种方案，可采用Agilent公司的HSMP-3864，它将两个PIN管封装在一起，可以共用同一个偏置电路。

下面列出了HSMP-3864的参数和特性曲线：。