PIN二极管开关设计及其非线性失真分析_吴云忠
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
３ ＰＩＮ 二极管开关电路设计
根 据 应 用 需 求 设 计 一 个 工 作 频 率 为 １００ＭＨｚ ～４００ＭＨｚ的超短波宽带电子开关，发 射 通 道 损 耗 小于０．５ｄＢ，接收通 道 损 耗 ０．７ｄＢ，发／收 隔 离 度 大 于 ４０ｄＢ，输 入 输 出 驻 波 比 小 于 １．３５，承 受 功 率 大 于 １００Ｗ，切换时间 小 于 １０μｓ。 宽 带 开 关 电 路 原 理 图 如图３ 所 示，其 中 ＲＦｉｎ 为 公 共 端，ＴＸ／ＲＸ 分 别 为 收发端，Ｐｏｒｔ１和 Ｐｏｒｔ２分别为反偏电压 Ｖｐｐ，其工 作原理为：Ｐｏｒｔ１＝０Ｖ、Ｐｏｒｔ２＝Ｖｐｐ 时，Ｄ１、Ｄ２ 两 个 ＰＩＮ 二 极 管 导 通，Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 均 反 偏，开 关 ＴＸ 端导通，此时仅有两个 ＰＩＮ 管导 通 因 此 损 耗 较 低，发／收隔离度采用有 四 个 ＰＩＮ 管 反 偏 保 证 设 计 要求；当 Ｐｏｒｔ１＝Ｖｐｐ、Ｐｏｒｔ２＝０Ｖ 时，Ｄ１、Ｄ２ 反 偏 截止，Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 均 正 偏 导 通，开 关 ＲＸ 端 导 通 ，其 损 耗 比 发 射 通 道 略 大 。
摘 要 ＰＩＮ 二极管电子开关广泛应用于天线的收发转 换，完 成 射 频 信 号 的 通 道 切 换 。由 于 非 线 性 特 性，其 在 大 动 态 及多音信号输入时会产生互调失真。论文介绍了 ＰＩＮ 二极管的开关应用，设计了一款工作在１００ＭＨｚ～４００ＭＨｚ的高性 能 收发开关，根据实际使用中出现的问题分析了 ＰＩＮ 管的非线性产生的原因，测试了单 串、双 串、单 并、双 并、反 串 联 等 开 关 电 路的互调失真情况并进行分析，改进了宽带开关设计中存在的问题，最后对降低 ＰＩＮ 管电子 开 关 的 非 线 性 失 真 技 术 进 行 了 讨论。
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ＰＩＮ ｄｉｏｄｅ，ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｎｏｌｉｎｅａｒｉｔｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３０３
１ 引言
射频开关作为微波控制电路的重要部件而被 广泛应 用 于 通 信、雷 达 和 电 子 对 抗 系 统 中。 由 于 ＰＩＮ 二极管可控制功率大，损耗小，速度快，开路和 短路特性好而 被 广泛 应 用 于各 种 微 波 控 制 电 路 中 。 ［１］
本文 设 计 了 一 款 频 率 为 １００ＭＨｚ～４００ＭＨｚ 的 宽 带 收 发 电 子 开 关 ，该 开 关 发 射 通 道 采 用 双 串 联 结 构 ，接 收 通 道 采 用 双 串 联 及 反 串 联 结 构 提 高 隔 离 度，通过对 ＰＩＮ 管的 选 取、匹 配 电 路 设 计 及 微 带 线
２ ＰＩＮ 二极管在电子开关电路中的应用
２．１ ＰＩＮ 二极管结构及等效电路
ＰＩＮ 二极管是一种 ＰＮ 结 器 件，结 构 如 图 １ 所
示，在 Ｐ 型和 Ｎ 型接触区加入一薄层低掺杂的Ｉ层
本征半导体，故 称 之 ＰＩＮ 管。 由 于 ＰＩＮ 二 极 管 中
的Ｉ层总电荷主要由偏置 电 流 产 生，而 不 是 由 微 波
布 局 来 实 现 对 开 关 的 插 损 、隔 离 度 、驻 波 比 的 要 求 ， 功率容量 及 线 性 度 指 标 通 过 选 取 适 合 的 ＰＩＮ 管、 合理的开关结构及提高反偏电压来满足要求。采 用 串 联 结 构 使 开 关 驱 动 部 分 得 到 简 化 ，缩 小 了 开 关 体积并改善了开关切换时间。
当有 微 波 信 号 通 过 时，特 别 是 大 功 率 信 号，在 ＰＩＮ 管正向导 通 状 态，引 起 Ｉ层 电 导 率 的 抖 动，在 反偏状态，引 起 ＰＩＮ 管 反 偏 结 电 容 的 抖 动，Ｉ层 电 导率的抖动和反偏结电容的抖动都引起了信号的 失真。针对该开关在实际应用中的由于多个接收 频率产生 的 非 线 性 信 号 干 扰 问 题，分 析 了 ＰＩＮ 管
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．７ １９８
舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
总 第 ２４１ 期 ２０１４ 年 第 ７ 期
ＰＩＮ 二极管开关设计及其非线性失真分析＊
吴 云 忠１ 李 文 广２ 谭 兵２
（１．中 航 工 业 陕 飞 公 司 汉 中 ７２３２１３）（２．华 中 科 技 大 学 武 汉 ４３００７４）
ＰＩＮ 开关电 路 大 致 可 分 成 并 联 结 构 和 串 联 结 构 两 种 基 本 形 式 。 串 联 方 式 适 合 宽 频 率 范 围 ，较 小 插入损耗情况；并 联 方 式 适 合 宽 频 率 范 围，较 大 隔 离 的 电 路 中 ，这 种 结 构 的 优 点 是 它 具 有 较 低 的 插 入 损耗，又由于 ＰＩＮ 管 并 联 接 地 散 热 较 好，所 以 这 种 结构也有较高的功率容量。将串联及并联结合还 可以形成串并 联 结 构 以 及 ＴＥＥ 结 构，其 中 串 并 结 构 中 串 联 的 二 极 管 具 有 很 好 的 低 频 特 性 ，加 上 后 端 通过四分 之 一 波 长 线 并 联 ＰＩＮ 管，使 得 对 电 路 带 宽 的 扩 展 和 隔 离 度 的 提 高 都 有 很 明 显 的 改 善 ，应 用 较 为 广 泛 。 ［４～５］
同时在 ＰＩＮ 管为正 偏 的 时 其 二 阶 交 调 截 点 和 三阶交调截点分别估算如下：
（ ） ＩＰ２＝３４＋２０ｌｏｇ
ＩＦτＦ Ｒｓ
ｄＢｍ
（３）
（ ） ＩＰ３＝２１＋１５ｌｏｇ
ＩＦτＦ Ｒｓ
ｄＢｍ
（４）
其中，Ｆ 为工 作 频 率，Ｒｓ 为 二 极 管 导 通 电 阻，Ｑ 为
储存电荷。有ＩＰ２ 及ＩＰ３ 可 以 看 出 二 极 管 的 线 性
在实际应用中开关的公共端与超短波天线直 接连 接，在 接 收 状 态 下，外 部 存 在 多 个 工 作 在 １０ＭＨｚ～６００ＭＨｚ 的 大 功 率 发 射 设 备，主 要 有 ２ＭＨｚ～３０ＭＨｚ、８７ＭＨｚ～１０８ＭＨｚ、１０８ＭＨｚ～ １７４ＭＨｚ、１９２ＭＨｚ～２０９ＭＨｚ、２２５ＭＨｚ～４００Ｍｈｚ、 ５００ＭＨｚ～６００ＭＨｚ等 工 作 频 率 范 围，这 些 设 备 在 发射功率大，与 超 短 波 天 线 的 空 间 隔 离 有 限，超 短 波 在 天 线 会 接 收 到 其 他 发 射 设 备 的 信 号 约 在 ０ｄＢｍ ～１５ｄＢｍ 范围内，而 ＰＩＮ 二 极 管 开 关 自 身 具 有 非 线 性 失 真 ，在 多 个 的 大 信 号 输 出 时 会 产 生 互 调 失 真 和 谐 波 失 真 ，一 旦 失 真 信 号 频 率 与 超 短 波 工 作 频 率 相 同 且 幅 度 超 出 电 台 接 收 灵 敏 度 时 ，就 会 严 重 干 扰 电台的接收工作。 ４．１ 非 线 性 特 性 分 析
电 流 瞬 时 值 产 生 ，所 以 其 对 微 波 信 号 只 呈 现 一 个 线
性电阻。此阻值 由 直 流 偏 置 决 定，正 偏 时 阻 值 小，
接 近 于 短 路 ，反 偏 时 阻 值 大 ，接 近 于 开 路 ，其 等 效 电
路如图２所示，因此 ＰＩＮ 二极管具有极好线性和低 失真特性，可以制成极好的射频电子开关 。 ［２～３］
舰船电子工程
１９９
的非线性产生 的 原 因，测 试 了 单 串、双 串、单 并、双 并、反串 联 等 开 关 电 路 的 互 调 失 真 情 况 并 进 行 分 析，通过比较改 进 了 宽 带 开 关 设 计 中 存 在 的 问 题， 最后对降低 ＰＩＮ 管电 子 开 关 的 非 线 性 失 真 技 术 进 行了探讨。
２００
吴云忠等：ＰＩＮ 二极管开关设计及其非线性失真分析
总 第 ２４１ 期
道的损耗、带宽、驻波比测试曲线如图 ４ 所示，发射 状态下发－收通 道 的 隔 离 度 均 大 于 ６０ｄｂ，可 以 看 出 其测试结果满足设计要求的。
图 ４ 接 收 通 道 损 耗 、驻 波 比 测 试 曲 线
４ ＰＩＮ 开关电路非线性影响分析
＊ 收稿日期：２０１４年１月３日，修回日期：２０１４年２月１７日 作者简介：吴云忠，男，硕士，工程师，研究方向：航电系统电子与通信。李文广，男，硕士，工程师，研究方向：射频微 波 器 件 。 谭 兵 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：电 子 开 关 设 计 。
２０１４ 年 第 ７ 期
正偏时其导通电阻 Ｒｓ及反偏或零偏时其反偏
电容分别为：
Ｒｓ＝
（μｎ
Ｗ２ ＋μｐ
）Ｑ（Ω）
（１）
ＣＴ ＝εＷＡ
（２）
其中，Ｑ＝ＩＦ×τ为Ｉ 层的电荷（库伦），Ｗ 为Ｉ 层的
厚度，μｎ 为 电 子 迁 移 率，μｐ 为 空 穴 迁 移 率，ＩＦ 为 正 向偏置电流，τ为载流子寿命。为硅的 介 电 常 数，Ａ
度指标与器件 本 身 的 导 通 电 阻、正 向 偏 置 电 流、载
流子寿命以及工作频率有关。
２．２ ＰＩＮ 二极管在开关电路的应用 ＰＩＮ 二极管 具 备 宽 范 围 的 射 频 阻 抗 以 及 低 失
图 ３ １００～４００ＭＨｚ宽 带 开 关 电 路 原 理 图
该电路采用 ０．８ｍｍ 厚 度 的 ＴＬＹ－５ 微 波 板 材 设计 ＰＣＢ 并 完 成 焊 接 工 作，采 用 安 捷 伦 公 司 的 Ｅ５０６１Ａ 网络分析仪 测 试 其 接 收 通 道 指 标，接 收 通
关键词 ＰＩＮ 二极管；开关；交调失真；谐波失真；非线性
中 图 分 类 号 ＴＰ３０３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－９７３０．２０１４．０７．０５０
பைடு நூலகம்
ＰＩＮ Ｄｉｏｄｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＷＵ Ｙｕｎｚｈｏｎｇ１ ＬＩ Ｗｅｎｇｕａｎｇ２ ＴＡＮ Ｂｉｎｇ２ （１．ＡＶＩＣ Ｓｈａａｎｘｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒｔｉｏｎ Ｌｔｄ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ ７２３２１３）
为 ＰＮ 结的面积。
图１ ＰＩＮ 管 结构
图２ ＰＩＮ 管正偏、反偏、 非线性等效模型
真的优点，非常适合制造高性能的电子开关。 配合 正确的电路和激励设计，ＰＩＮ 二极管可以处理高达 几十瓦的大功率电平。设计处理中等功率电平的 开关，只要选择 合 适 的 二 极 管 和 开 关 拓 扑 结 构，可 以 在 不 到 １００ｎｓ的 时 间 内 完 成 开 关 动 作 。
（２．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ 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 ｄｉｏｄｅｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ－ ｉｔｙ 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．
根 据 应 用 需 求 设 计 一 个 工 作 频 率 为 １００ＭＨｚ ～４００ＭＨｚ的超短波宽带电子开关，发 射 通 道 损 耗 小于０．５ｄＢ，接收通 道 损 耗 ０．７ｄＢ，发／收 隔 离 度 大 于 ４０ｄＢ，输 入 输 出 驻 波 比 小 于 １．３５，承 受 功 率 大 于 １００Ｗ，切换时间 小 于 １０μｓ。 宽 带 开 关 电 路 原 理 图 如图３ 所 示，其 中 ＲＦｉｎ 为 公 共 端，ＴＸ／ＲＸ 分 别 为 收发端，Ｐｏｒｔ１和 Ｐｏｒｔ２分别为反偏电压 Ｖｐｐ，其工 作原理为：Ｐｏｒｔ１＝０Ｖ、Ｐｏｒｔ２＝Ｖｐｐ 时，Ｄ１、Ｄ２ 两 个 ＰＩＮ 二 极 管 导 通，Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 均 反 偏，开 关 ＴＸ 端导通，此时仅有两个 ＰＩＮ 管导 通 因 此 损 耗 较 低，发／收隔离度采用有 四 个 ＰＩＮ 管 反 偏 保 证 设 计 要求；当 Ｐｏｒｔ１＝Ｖｐｐ、Ｐｏｒｔ２＝０Ｖ 时，Ｄ１、Ｄ２ 反 偏 截止，Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 均 正 偏 导 通，开 关 ＲＸ 端 导 通 ，其 损 耗 比 发 射 通 道 略 大 。
摘 要 ＰＩＮ 二极管电子开关广泛应用于天线的收发转 换，完 成 射 频 信 号 的 通 道 切 换 。由 于 非 线 性 特 性，其 在 大 动 态 及多音信号输入时会产生互调失真。论文介绍了 ＰＩＮ 二极管的开关应用，设计了一款工作在１００ＭＨｚ～４００ＭＨｚ的高性 能 收发开关，根据实际使用中出现的问题分析了 ＰＩＮ 管的非线性产生的原因，测试了单 串、双 串、单 并、双 并、反 串 联 等 开 关 电 路的互调失真情况并进行分析，改进了宽带开关设计中存在的问题，最后对降低 ＰＩＮ 管电子 开 关 的 非 线 性 失 真 技 术 进 行 了 讨论。
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ＰＩＮ ｄｉｏｄｅ，ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｎｏｌｉｎｅａｒｉｔｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３０３
１ 引言
射频开关作为微波控制电路的重要部件而被 广泛应 用 于 通 信、雷 达 和 电 子 对 抗 系 统 中。 由 于 ＰＩＮ 二极管可控制功率大，损耗小，速度快，开路和 短路特性好而 被 广泛 应 用 于各 种 微 波 控 制 电 路 中 。 ［１］
本文 设 计 了 一 款 频 率 为 １００ＭＨｚ～４００ＭＨｚ 的 宽 带 收 发 电 子 开 关 ，该 开 关 发 射 通 道 采 用 双 串 联 结 构 ，接 收 通 道 采 用 双 串 联 及 反 串 联 结 构 提 高 隔 离 度，通过对 ＰＩＮ 管的 选 取、匹 配 电 路 设 计 及 微 带 线
２ ＰＩＮ 二极管在电子开关电路中的应用
２．１ ＰＩＮ 二极管结构及等效电路
ＰＩＮ 二极管是一种 ＰＮ 结 器 件，结 构 如 图 １ 所
示，在 Ｐ 型和 Ｎ 型接触区加入一薄层低掺杂的Ｉ层
本征半导体，故 称 之 ＰＩＮ 管。 由 于 ＰＩＮ 二 极 管 中
的Ｉ层总电荷主要由偏置 电 流 产 生，而 不 是 由 微 波
布 局 来 实 现 对 开 关 的 插 损 、隔 离 度 、驻 波 比 的 要 求 ， 功率容量 及 线 性 度 指 标 通 过 选 取 适 合 的 ＰＩＮ 管、 合理的开关结构及提高反偏电压来满足要求。采 用 串 联 结 构 使 开 关 驱 动 部 分 得 到 简 化 ，缩 小 了 开 关 体积并改善了开关切换时间。
当有 微 波 信 号 通 过 时，特 别 是 大 功 率 信 号，在 ＰＩＮ 管正向导 通 状 态，引 起 Ｉ层 电 导 率 的 抖 动，在 反偏状态，引 起 ＰＩＮ 管 反 偏 结 电 容 的 抖 动，Ｉ层 电 导率的抖动和反偏结电容的抖动都引起了信号的 失真。针对该开关在实际应用中的由于多个接收 频率产生 的 非 线 性 信 号 干 扰 问 题，分 析 了 ＰＩＮ 管
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．７ １９８
舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
总 第 ２４１ 期 ２０１４ 年 第 ７ 期
ＰＩＮ 二极管开关设计及其非线性失真分析＊
吴 云 忠１ 李 文 广２ 谭 兵２
（１．中 航 工 业 陕 飞 公 司 汉 中 ７２３２１３）（２．华 中 科 技 大 学 武 汉 ４３００７４）
ＰＩＮ 开关电 路 大 致 可 分 成 并 联 结 构 和 串 联 结 构 两 种 基 本 形 式 。 串 联 方 式 适 合 宽 频 率 范 围 ，较 小 插入损耗情况；并 联 方 式 适 合 宽 频 率 范 围，较 大 隔 离 的 电 路 中 ，这 种 结 构 的 优 点 是 它 具 有 较 低 的 插 入 损耗，又由于 ＰＩＮ 管 并 联 接 地 散 热 较 好，所 以 这 种 结构也有较高的功率容量。将串联及并联结合还 可以形成串并 联 结 构 以 及 ＴＥＥ 结 构，其 中 串 并 结 构 中 串 联 的 二 极 管 具 有 很 好 的 低 频 特 性 ，加 上 后 端 通过四分 之 一 波 长 线 并 联 ＰＩＮ 管，使 得 对 电 路 带 宽 的 扩 展 和 隔 离 度 的 提 高 都 有 很 明 显 的 改 善 ，应 用 较 为 广 泛 。 ［４～５］
同时在 ＰＩＮ 管为正 偏 的 时 其 二 阶 交 调 截 点 和 三阶交调截点分别估算如下：
（ ） ＩＰ２＝３４＋２０ｌｏｇ
ＩＦτＦ Ｒｓ
ｄＢｍ
（３）
（ ） ＩＰ３＝２１＋１５ｌｏｇ
ＩＦτＦ Ｒｓ
ｄＢｍ
（４）
其中，Ｆ 为工 作 频 率，Ｒｓ 为 二 极 管 导 通 电 阻，Ｑ 为
储存电荷。有ＩＰ２ 及ＩＰ３ 可 以 看 出 二 极 管 的 线 性
在实际应用中开关的公共端与超短波天线直 接连 接，在 接 收 状 态 下，外 部 存 在 多 个 工 作 在 １０ＭＨｚ～６００ＭＨｚ 的 大 功 率 发 射 设 备，主 要 有 ２ＭＨｚ～３０ＭＨｚ、８７ＭＨｚ～１０８ＭＨｚ、１０８ＭＨｚ～ １７４ＭＨｚ、１９２ＭＨｚ～２０９ＭＨｚ、２２５ＭＨｚ～４００Ｍｈｚ、 ５００ＭＨｚ～６００ＭＨｚ等 工 作 频 率 范 围，这 些 设 备 在 发射功率大，与 超 短 波 天 线 的 空 间 隔 离 有 限，超 短 波 在 天 线 会 接 收 到 其 他 发 射 设 备 的 信 号 约 在 ０ｄＢｍ ～１５ｄＢｍ 范围内，而 ＰＩＮ 二 极 管 开 关 自 身 具 有 非 线 性 失 真 ，在 多 个 的 大 信 号 输 出 时 会 产 生 互 调 失 真 和 谐 波 失 真 ，一 旦 失 真 信 号 频 率 与 超 短 波 工 作 频 率 相 同 且 幅 度 超 出 电 台 接 收 灵 敏 度 时 ，就 会 严 重 干 扰 电台的接收工作。 ４．１ 非 线 性 特 性 分 析
电 流 瞬 时 值 产 生 ，所 以 其 对 微 波 信 号 只 呈 现 一 个 线
性电阻。此阻值 由 直 流 偏 置 决 定，正 偏 时 阻 值 小，
接 近 于 短 路 ，反 偏 时 阻 值 大 ，接 近 于 开 路 ，其 等 效 电
路如图２所示，因此 ＰＩＮ 二极管具有极好线性和低 失真特性，可以制成极好的射频电子开关 。 ［２～３］
舰船电子工程
１９９
的非线性产生 的 原 因，测 试 了 单 串、双 串、单 并、双 并、反串 联 等 开 关 电 路 的 互 调 失 真 情 况 并 进 行 分 析，通过比较改 进 了 宽 带 开 关 设 计 中 存 在 的 问 题， 最后对降低 ＰＩＮ 管电 子 开 关 的 非 线 性 失 真 技 术 进 行了探讨。
２００
吴云忠等：ＰＩＮ 二极管开关设计及其非线性失真分析
总 第 ２４１ 期
道的损耗、带宽、驻波比测试曲线如图 ４ 所示，发射 状态下发－收通 道 的 隔 离 度 均 大 于 ６０ｄｂ，可 以 看 出 其测试结果满足设计要求的。
图 ４ 接 收 通 道 损 耗 、驻 波 比 测 试 曲 线
４ ＰＩＮ 开关电路非线性影响分析
＊ 收稿日期：２０１４年１月３日，修回日期：２０１４年２月１７日 作者简介：吴云忠，男，硕士，工程师，研究方向：航电系统电子与通信。李文广，男，硕士，工程师，研究方向：射频微 波 器 件 。 谭 兵 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：电 子 开 关 设 计 。
２０１４ 年 第 ７ 期
正偏时其导通电阻 Ｒｓ及反偏或零偏时其反偏
电容分别为：
Ｒｓ＝
（μｎ
Ｗ２ ＋μｐ
）Ｑ（Ω）
（１）
ＣＴ ＝εＷＡ
（２）
其中，Ｑ＝ＩＦ×τ为Ｉ 层的电荷（库伦），Ｗ 为Ｉ 层的
厚度，μｎ 为 电 子 迁 移 率，μｐ 为 空 穴 迁 移 率，ＩＦ 为 正 向偏置电流，τ为载流子寿命。为硅的 介 电 常 数，Ａ
度指标与器件 本 身 的 导 通 电 阻、正 向 偏 置 电 流、载
流子寿命以及工作频率有关。
２．２ ＰＩＮ 二极管在开关电路的应用 ＰＩＮ 二极管 具 备 宽 范 围 的 射 频 阻 抗 以 及 低 失
图 ３ １００～４００ＭＨｚ宽 带 开 关 电 路 原 理 图
该电路采用 ０．８ｍｍ 厚 度 的 ＴＬＹ－５ 微 波 板 材 设计 ＰＣＢ 并 完 成 焊 接 工 作，采 用 安 捷 伦 公 司 的 Ｅ５０６１Ａ 网络分析仪 测 试 其 接 收 通 道 指 标，接 收 通
关键词 ＰＩＮ 二极管；开关；交调失真；谐波失真；非线性
中 图 分 类 号 ＴＰ３０３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－９７３０．２０１４．０７．０５０
பைடு நூலகம்
ＰＩＮ Ｄｉｏｄｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＷＵ Ｙｕｎｚｈｏｎｇ１ ＬＩ Ｗｅｎｇｕａｎｇ２ ＴＡＮ Ｂｉｎｇ２ （１．ＡＶＩＣ Ｓｈａａｎｘｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒｔｉｏｎ Ｌｔｄ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ ７２３２１３）
为 ＰＮ 结的面积。
图１ ＰＩＮ 管 结构
图２ ＰＩＮ 管正偏、反偏、 非线性等效模型
真的优点，非常适合制造高性能的电子开关。 配合 正确的电路和激励设计，ＰＩＮ 二极管可以处理高达 几十瓦的大功率电平。设计处理中等功率电平的 开关，只要选择 合 适 的 二 极 管 和 开 关 拓 扑 结 构，可 以 在 不 到 １００ｎｓ的 时 间 内 完 成 开 关 动 作 。
（２．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ 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 ｄｉｏｄｅｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ－ ｉｔｙ 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．