PIN二极管在射频电路中的应用

陈艳 南京恒电电子有限公司

PIN二极管在射频电路中的应用

陈艳 南京恒电电子有限公司

在微波和射频电路的设计中，PIN二极管被广泛应用，是各种电子设备中重要部件。本文对PIN二极管工作原理进行了说明，并分析设计了PIN二极管应用于调射频开关电路、衰减电路以及调制电路，以期提供参考。

PIN二极管 射频开关 衰减电路 调制电路

PIN二极管作为一种特种微波半导体元件，广泛应用于微波和射频电路的设计中，具有许多优良的特点，例如：开关速度快、可控功率大、损耗低、反向击穿电压高等。另外，PIN二极管无论被正向或者反向偏置均可得到类似于短路与开路。因而，PIN二极管已经成为各种电子设备中的重要组成部分。

1 PIN二极管的工作原理

PIN与普通二极管不同，主要表现在重掺杂的P区和N区之间还加油本征层，称为I层。PIN二极管属于两端半导体元器件，通过在它的两端通不同的直流电压，I层载流子数量将发生改变。对PIN二极管正向偏置，末端区植入的电荷控制本征层电导率；对二极管反向偏置时，由于本征层的存在将使得二极管获得极高的击穿电压，此时增大P和N区的距离可以降低PIN二极管的电容。因为PIN二极管作为一种偏流控制电阻器，具有低失真特性，并且其线性性能优良。PIN二极管与PN结二极管具有相同的伏安特性，但两者的微波段区别明显。偏置电流决定了PIN二极管本征层总电荷，因此对于微波信号只产生一个线性电阻，直流正偏置二极管阻抗很小，类似于短路，而直流反偏置时很大，类似于开路。总的来讲，PIN二极管对于微波信号不会像普通二极管那样产生非线性的整流作用。

2 开关电路设计

由于PIN二极管可以根据不同的射频微波信号表现出不同阻抗特性，因此，利用直流电平信号对射频微波信号进行控制，从而控制PIN二极管的阻抗，实现电路开关的功能。实际中，PIN二极管用作射频开关均会产生一定的电抗和损耗电阻，应用中要求将降低这些影响。当用作串联电路的开关时，隔插入损耗（IL）以及隔离度（I）为：

作为并联电路开关时，IL和I分别为：

上式中：Z0—系统阻抗，f—测试频率，Rx—正偏等效串连电阻，Cs—反偏等效结电容。

图1显示了PIN二极管在天线收发转换器中的应用，通过对Bias1和Bias2控制信号的接收和发送控制天线信号收发转换。电路中的二极管分别为UM2310以及UM2010，电路的低失真特性良好。

图1 PIN二极管天线收发控制器

3 衰减电路设计

衰减器的主要作用是探知系统插损的电路，例如Pi型T型插损探知衰减电路，电阻网络即可作为简单的衰减器。衰减器在射频电路中广泛使用，不仅可以隔离两个放大级，而且可以通过对衰减器的控制从而达到信道APC和AGC的功能。

图2 利用PIN二极管设计的可控衰减器

将两个相同的PIN二极管串联，如图2方框内所示，相当于衰减模型的串联电阻，这样使得衰减电路的动态范围明显增加，偶次失真被消除。另外，也简化了匹配和偏置电路，但是也增加了插入电路的耗损。在此电路中，控制衰减电压幅度，可以实现控制射频信号的衰减。

4 调制电路设计

PIN二极管对于射频信号可以表现出不同的衰减程度，可以利用这一特性设计出AM调制电路。由RF或微波单频信号等射频载波信号以及低频调制信号（一般在DC—10MHz范围内）共同完成其调制过程。PIN二极管偏置电流由低频调制信号进行控制，通过PIN二极管的载波幅度大小的变化而产生调制波形。

5 结语

近年来随着科学技术的不断发展，PIN二极管被广泛应用于射频电路。通过直流特性控制PIN二极管的射频阻抗，从而达到射频信号按照不同程度衰减的效果。利用不同的直流偏置和射频电路模式可以是配置有PIN二极管的电路达到射频开关、衰减器、调制器等功能。相信，未来的PIN二极管必然是朝着高频率、大功率、低损耗的方向发展。

[1]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社，2009.

[2]肖林立.PIN二极管原理及其在射频增益控制放大器中的作用[J].电子测试，2017(5):36-36.

陈艳，1989.08，女，汉，江苏盐城建湖，本科，助理工程师，目前从事微波射频电路方面的研究。