一种PIN管电调衰减器的设计

摘要：本文介绍了一种多管阵吸收式PIN管电调衰减器，其具备具有较低的插补损失、较低的入、输出的驻波比、较宽的衰减幅度、结构和尺寸、重量轻，调制速度极快等优点。这款PIN管电调衰减器设计的工作频率为12～18GHz，驻波比小于2.0，插入损耗小于4dB，衰减量大于60dB。经过仿真和反复的工艺制作，最终产品满足设计指标要求。本次开发的PIN管电调衰减器与现有技术相比，性能优良，更加稳定和可靠，一致性高，且加工方便，宜于进行批量生产。

关键词：PIN管;电调衰减器

一、概述

由于现代通讯设备对系统的动态变化幅度的需求日益增大，仅靠 AGC电路已经无法实现对系统的动态范围进行有效的控制。当前衰減器的发展已经形成了许多不同的方法，利用PIN管制作的电调衰减器就是其中一种比较典型的结构形式。

PIN管电调衰减器的电路结构形式又分很多种，其中多管阵吸收式电调衰减器的，由于其具有低的插入损失、低的输入、大的动态衰减变化、结构简单、体积小、质量好、调节速度高等特点，是目前广泛使用的一种新型的机械。本文重点介绍了一种多管阵吸收式电调衰减器的设计。

二、结构及工作原理

（一）结构

一种多管阵吸收式电调衰减器的结构中，主要是利用PIN管的正偏电阻随直流偏置变化而变化的原理，PIN管或串联或并联在主传输线上，通过调节直流偏置来改变PIN管的电阻，从而实现衰减量的连续变化的电路。从电路的实现形式上，大致可分为串联式、并联式和串并联混合式。按性能又可分为反射式和吸收式两种。本设计中采用的结构为所用PIN管都是并联连接在主传输线上，并尽量保证PIN管与PIN管之间的传输线为近似四分之一波长;直流偏置则通过一段高阻线加载到各个PIN管上，通过直流偏置给各个PIN管提供电流。想要构成等元件阵结构形式的电路，该电路中各个PIN管就选取同封装型号的;想要构成渐变元件阵结构形式的电路，就选取从微波输入端开始各个二极管的电阻逐级变小的PIN管。

（二）工作原理

1.单节并联电调衰减器的衰减特性

多管阵吸收式电调衰减器可以看成是由多个单节电调衰减器构成的。单节电调衰减器的电路形式有串联和并联两种。

单节并联电调衰减器即将PIN管并联在主传输线上，在 PIN管的工作频率比 PIN管的断开频率低得多的情况下， PIN管等效电路可以大致看成是纯电阻;PIN管加入连续变化的 DC偏压后， PIN管的正向电阻会随着 DC偏压的改变而不断地改变，因此，随着微波信号在主传输线中传送，吸收支路的阻抗会不断地改变。

单节串联电调衰减器即将PIN管串联在微波主传输线上，工作状态正好和单节并联电调衰减器相反，当PIN管的阻抗很小接近于短路时衰减量最小，PIN管的阻抗很大接近于开路时衰减量最大，即反偏时衰减最大，正偏时衰减最小。根据设计要求，当不加控制偏置电流时，希望其插入损耗小，从而不影响主传输信号的传递，本设计采用了并联结构的电路形式。

下面先来分析一下单节并联电调衰减器电路的工作原理。

若将并联的PIN管等效为纯电阻RD，则其导纳YD=1/RD，可以求出此等效电路的反射系数Γi和传输系数Ti与导纳YD、特性阻抗Z0及电长度θ的关系，具体公式如下：

（1）

（2）

在中心频率上电长度θ=90°，于是上述公式可简化为：

（3）

（4）

由传输系数Ti可求得它的插入衰减为：

（5）

由此可得出插入衰减与电长度的关系，插入衰减分贝数越小，衰减越平坦。

由上所述可知，我们期望单级并联电调衰减器就能实现大范围的衰减量变化，但实际上单个PIN管的纯电阻RD可以很小（几欧姆），但不可能为零，所以单极并联电调衰减器可实现的频率带宽还是比较窄的，能实现的衰减量的动态范围也很有限。要想得到更宽的频率带宽、大动态范围衰减量的电调衰减器，就需要通过增加衰减节数即增加并联PIN管芯的个数来满足要求。

2.等元件阵的衰减特性

从上述结果可以看出，单个并联电调衰变仪的阻尼性能以及它的缺点，根据这一特点，将每节串联在一起，便可以得出它的阻尼性能。串联后的等元素阵衰减器的总衰减是每个节间的衰减总和;其电压驻波比ρ与反射系数Γi的关系可由下式求得

（6）

其中Γi为单节反射系数。

由上式可，知单节的反射系数Γi与输入电压驻波比ρ呈正比例关系。由（3）式可知反射系数Γi是导纳YD的函数，导纳 YD越小（即电阻RD越大），反射系数Γi越小，衰减量L越小，驻波比ρ越小;导纳YD越大（即电阻RD越小），反射系数Γi越大，衰减量L越大，驻波比ρ越大。PIN管的导纳值随 DC偏压的变化而变化，因此在 DC偏压下，其输入端的驻波比例也随之变化。等元件阵随着直流偏置的增加，电压驻波比变大，带宽也变窄，衰减功率也受到一定的限制。为了能拓展带宽，得到大衰减量并且有比较小的输入输出驻波比，提出了渐变元件阵的设计结构。

3.渐变元件阵的衰减特性

渐变元件阵的结构形式也可分成很多种，比如，可以在各种工作点处，分别添加各种偏压的 PIN裸片，也可以选用具有多种性能的 PIN裸片。因为 PIN裸片在 i层的厚度不同，其正向电阻 Rf随着偏置速度的改变而变化，因此可以根据需要对 PIN晶片进行合理的配置和配置，从而提高 PIN晶片的驻波性能，并在全频段中提高衰减率的线性，但按照这个原理来实际制作电路时，设计的电路比较复杂，不易操作。

PIN管正向性能不仅受正极电阻器 Rf的作用，而且也与晶片封装的分配电容有关。在该方案中，利用串联电阻器对这种分布电容进行合理的补偿，从而形成一种由分配电容和补偿电感器组成的低通滤波器，从而拓宽频带，改善电路的性能。

根据现有的工艺条件，在输入输出采用渐变元件阵这种较为简便易操作的结构形式，利用这种结构，在输入输出端的第一个PIN管处选取适当的R值的电阻与其串联，在规定频率范围内，大衰减范围下，能有效改善输入输出驻波比，同时由于这种结构的PIN管具有等效阻抗最大，衰减量最小的特点，它所需的功耗也相对较低，因而提高了该衰减器的功率。该电路具有完全一样的输入和输出特性，可交换的输入和输出界面，电性能保持不变。在系统或整机中使用该类器件时比较方便，易互换。

三、PIN管电调衰减器的设计

（一）PIN管电调衰减器的工作原理

采用渐变元件阵结构的电路形式，该电路可分为3个部分：并联管区和两个匹配区。匹配区的作用在于当PIN管电调衰减器的直流偏置改变时，衰减量也随之而改变，但端口驻波却随之变化甚微，从而有效地改善了端口的匹配情况。不需要在PIN管电调衰减器两端加隔离器或其他匹配网络，从而减少了系统的元器件个数，降低成本，提高了可靠性。并联区的作用主要是为了达到所需的衰减量及其平坦度要求，并且可以通过调节直流偏置的电流值来改变衰减量的大小，使其满足实际需要。

（二）PIN管电调衰减器的微波电路的设计

PIN管电调衰减器中使用的PIN管，隶属二级管，所以它具备了二极管的所有特性。本设计中主要用到的就是二极管得宽射频阻抗和不失真的特性。当PIN管并联在电路中时，当它处于正向偏置时，PIN 管导通，接近于短路，此时得到最大的反射，即产生最大的衰减。当它处于反向偏置时，PIN管截止，接近于开路，此时插入损耗最小。而要得到连续可调的衰减量，就要给予PIN管不同的控制电流。

设计微波电路时，同时，由于采用了由 Cj和 L构成的补偿电路，其关断频率比工作频段要大得多，因此既能防止在工作频率逼近这个断开频率时出现的插头损失，而且可以得到较好的输入电压驻波比。图1（a）网络参数的设计公式如下：

（7）

（8）

式中：L——PIN管芯两端的补偿电感;

Z0——微带线的特性阻抗（50欧）;

Cj——PIN管芯的结电容;

fc——L Cj组成的低通滤波器的截止频率。

单极PIN管衰减电路，在大于10%的相对工作带宽内大概可以获得13-16dB的衰减量，将该设计代入仿真软件进行仿真，依据设定的技术指标，该设计最终采用八级PIN二极管并联的电路形式，其中输入输出各一个PIN二极管作为吸收单元使用。微波板采用复合介质片RT5880板材。主要元器件选用PIN二极管芯，并且是裸片。这样选取的原因主要是带封装的PIN二极管有寄生电感、寄生电容，这会对整个电路有不良影响，采用裸片，可以提高电路的电性能，尤其是会改善插入损耗;另一个方面，裸片比较小巧，可以在小体积的盒体中操作，可以有效减小整件的体积。隔直器采用贴片式的高频电容，偏置电路上的电感采用自制的漆包线绕制的电感，偏置电容采用单层高频电容。

（四） PIN管电调衰减器的驱动电路的设计

当然要让PIN管电调衰减器工作必须赋予其合适的电流来驱动，而常用通信系统中控制信号都由数字电路输出，即多是给一个TTL电平，其不具备电流驱动能力。因此每一个开关或微波控制电路产品，在电路和控制信号间都必须安装一个驱动电路。

根据设计要求，从成本和装配工艺的角度考虑，选取了普通的0805封装的贴片电阻及热敏电阻，电路板采用常规的FR4板材（需要有足够的焊盘的普通线路板）。

（五）PIN管电调衰减器的工艺设计

微波电路及元器件确定后主要是微波电路装配的工艺问题，它主要是要将微带板及PIN管（裸管）通过导电胶粘接到腔体相应的位置，隔直电容、PIN管与微带线之间需要通过金丝连接，为了达到电路中的阻抗匹配，这里选取25Um的金丝，并通过超声波压焊机来实现。电感则是采用电烙铁，选取合适的温度，在显微镜下焊接。

（六） 测试结果

经过反复的调试，测试数据绘制了PIN管电调衰减器的衰减曲线图，具体如图3所示。

此衰减曲线表明了PIN管电调衰减器的衰减量和控制电流的关系，即显示出该款PIN管电调衰减器的衰减量的线性度。

四、结束语

研制结果表明，该款PIN管电调衰减器在频率12-18GHz内，输入输出电压比小于2.0，插入损耗小于4.0dB，衰减量大于60dB。符合设定的技术指标要求。本设计采用是一種具有良好电气特性的电调式衰减器件。其动态阻尼范围大，响应速度快，输入输出电压的驻波比和插入损耗以及体积都比较小，还有一致性高等优点，且加工方便，宜于进行批量生产。该方法是一种实用、通用的方法，适用于各种微波线路的研制。这种 PIN管电调衰减器已经在整个系统中使用了，并且有很好的效果。

当然由于时间比较仓促，实际开发过程中还有很多值得深入探讨和研究的问题，在今后的工作中会注意并进一步的进行研究。

作者单位：戴林华   上海华湘计算机通讯工程有限公司

参  考  文  献

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