PIN二极管开关设计及其非线性失真分析*

(1.中航工业陕飞公司 汉中 723213)(2.华中科技大学 武汉 430074)

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。

PIN二极管;开关;交调失真;谐波失真;非线性

ClassNumberTP303

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。

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]。

图1 PIN管结构

图2 PIN管正偏、反偏、非线性等效模型

正偏时其导通电阻Rs及反偏或零偏时其反偏电容分别为:

(1)

(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为PN结的面积。

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:

(3)

(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。

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]。

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。

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

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

互调分量是影响射频系统性能的一个重要的非线性指标。当多个射频信号加入非线性器件时，非线性器件的输出为多个频率的线性组合，典型的三次及五次互调频率与信号频率非常接近，无法用滤波器滤除，因此该互调信号会严重影响系统的信号检测和识别。一般可用麦克劳林展开式进行非线性失真分析，或者采用Pspice的二极管电路模型进行仿真计算[6～9]。

当外部发射工作在10MHz、100MHz、200MHz、370MHz、500MHz时，超短波从110MHz开始，每增加5MHz及10MHz的频率点处全部被干扰，不能正常工作，经过分析，主要是互调信号干扰了接收机的正常工作。针对100MHz～400MHz以外的信号，在开关的公共端增加带通滤波器加以滤除，在实际中重点讨论100MHz～400MHz范围内的互调干扰问题。选取发射机工作为100MHz和209MHz，其超短波频段内的互调频率分别为109MHz、309MHz及318MHz，需要对该互调信号进行处理，避免其它设备单独或同时发射时对影响超短波电台的正常接收。

4.2 实际测试与分析

为解决问题的根本所在，主要是提高PIN二极管开关的线性度，降低其自身产生的互调分量，同时在后级增加子带通滤波器。

为分析开关电路结构及PIN管本身参数对互调及谐波产物的影响，选取了不同的电路结构形式、PIN管型号进行了测试与对比，对问题进行定位并进行改进。测试电路结构有单串、双串、单并、双并、反串联共五种，根据电路设计，单串、双串、反串联结构主要测试正向导通时的互调产物，单并、双并结构主要测试反偏时的互调产物，PIN管型号分别为MACOM的MA4P7104和MA4P7470，其主要区别在与最小载流子寿命、反向耐压及I层厚度。

互调产物测试系统如图5所示，带通滤波器1和2用于信号源之间的隔离，防止信号源反串产生互调信号，带通滤波器3滤除进入频谱仪的主峰信号，防止频谱仪内部产生互调信号[10]。将输入频率分别设定为F1=100MHz、F2=209MHz，带通滤波器1和2中心频率固定，调整信号源1和2的输出使得经过功率合成器后的功率为0dBm，改变带通滤波器3的中心频率，在频谱仪上分别测试出109MHz，309MHz、318MHz及409MHz的互调信号。待测开关的电路形式分别采用单串、双串、反串联、单并、双并五种结构，对串联电路结构改变其导通电流的大小测试相应的互调产物，而对并联电路结构则改变PIN二极管的反偏电压测试相应的互调产物。

图5 开关电路互调测试系统原理图

两种PIN管的串联和并联电路在318MHz产生的三阶互调测试结果分别如图6和图7所示，从图6可以看出，反串联电路结构的互调产物最小，双串联结构最大，同时在相同电路结构下，MA4P7470的互调产物比MA4P7104要小其互调特性更好。从图7所示的并联电路测试结果可以看出单并电路结构互调产物特性优于双并电路结构，在反压较低时，MA4P7470互调特性较好，在反压增大时，二者基本接近。在三阶互调测试时，可以看出不管是串联还是并联电路其互调很容易可达-130dBm量级。同样对另外一个互调产物419MHz进行测试，其结果类似，说明PIN二极管的三阶互调指标比较容易满足的。

图6 串联IM3测试(318MHz)曲线

图7 并联IM3测试(318MHz)曲线

图8～图11分别为309MHz和109MHz的串联和并联电路的二阶互调产物测试曲线，测试结果表明两种PIN管的二阶互调产物明显高于三阶互调产物，且在正向电流很大或者反偏电压很高的状态下，其二阶互调产物仍然很大，说明在宽带应用中，二阶互调产物是主要的干扰因素。在串联电路中，二阶互调产物特性为反串联最好，双串联最差，随着正向导通电流的增加互调产物逐步降低，在并联电路中，单并结构优于双并结构。随着反偏电压的增加其互调产物逐步降低，其变化趋势与三阶互调特性是相同的。

图8 串联IM2测试(309MHz)曲线

图9 并联IM2测试(309MHz)曲线

图10 串联IM2测试(109MHz)曲线

图11 并联IM2测试(109MHz)曲线

MA4P7470与MA4P7104进行比较可以发现，串联电路结构中MA4P7104的互调特性优于MA4P7470，这是因为MA4P7104具有更大的τ/W值，而并联电路中MA4P7470由于能承受反向偏压更高因此其互调特性也优于MA4P7104。

3.3 解决措施及结论

通过以上电路结构及两种PIN二极管的测试数据表明，降低PIN管产生互调的措施有:

1)采用反串联结构降低非线性失真，使产生的失真分量相互抵消。

2)选用τ/W比率大的PIN管进行串联电路设计；

3)在正向导通时增加正向的导通电流提高PIN管的线性度指标。

4)选用承受反偏电压高的PIN管进行并联电路设计，并提高反向截止时的反偏电压。

4 结语

本文首先对PIN二极管的工作原理及等效电路进行了介绍，分析并设计了应用于超短波频段的高性能收发开关，针对该开关在实际应用中存在的问题，讨论了PIN二极管开关的非线性特性及其产生原因，选用了两种PIN二极管分别测试了单串、双串、单并、双并、反串联共五种开关电路结构的二阶及三阶互调分量，从降低失真考虑，应优先采用并联结构，如需采用级联结构，可以利用反级联结构的抵消特性来降低非线性失真。从降低PIN管在正向导通状态产生失真考虑，要选用τ/w比率大的PIN管并适当增加正向导通电流来降低失真；从降低PIN管在反偏时产生的失真考虑，选用I层厚度大的PIN管并增加反压来降低失真。

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PINDiodeSwitchDesignandNonlinearDistortionAnalysis

WU Yunzhong1LI Wenguang2TAN Bing2

(1.AVIC Shaanxi Aircraft Industry(group)Corportion Ltd, Hanzhong 723213)

(2.Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074)

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 diode’s nonlinearity 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.

PIN diode, switch, intermodulation distortion, harmonic distortion, nolinearity

2014年1月3日,

:2014年2月17日

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。

TP303DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.050