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PIN 二极管移相器
PIN 二极管在移相器电路设计中用作串联或并联连接的开关。在这种情况下，切换的元件是传输线的长度或电抗元件。选择用于移相器的 PIN 二极管的标准与为其他开关应用选择二极管的标准相似。然而，必须经常考虑的另一个因素是引入相位失真的可能性，特别是在高 RF 功率电平或低反向偏置电压下。值得注意的是，产生低失真的 PIN 二极管的固有特性，即长载流子寿命和厚 I 区，也会导致 RF 信号的低相位失真。三种最常见的半导体移相器电路类型，即：开关线、负载线和混合耦合设计描述如下：
A. 开关线路移相器 图 1显示了开关线路移相器电路的基本示例。在此设计中，两个采用 PIN 二极管的 SPDT 开关用于将传输线的电气长度改变一定长度。从该电路获得的相移随频率变化，并且是该差分线长度的直接函数，如下所示：
开关线路移相器本质上是一种产生真实时间延迟的宽带电路，实际相移仅取决于 Δ
由于 PIN 二极管电容限制，该设计最常用于 1 GHz 以下的频率。
图 1 开关线路移相器
开关线路移相器的功率容量和损耗特性与串联连接的 SPDT 开关相同。该电路的一个独特特性是每个二极管上的功率和电压应力与每个移相器产生的微分相移量无关。因此，每个位需要四个二极管，所有二极管具有相同的功率和电压额定值。
B. 负载线路移相器 图 2 所示的负载线路移相器设计的工作原理与开关线路移相器不同。在此设计中，所需的最大相移部分包含一对 PIN 二极管，它们不会完全干扰主传输线。该移相器的一个主要优点是其极高的功率能力，部分原因是使用并联安装的二极管，加上 PIN 二极管永远不会处于全 RF 功率的直接路径中。
图 2 负载线路移相器
在负载线路移相器中，归一化电纳 Bn 通过 PIN 二极管切换进出传输路径。典型电路使用 Bn 的值，远小于单位值，因此导致传输的 RF 功率与 PIN 二极管的相当大的去耦。单个部分的相移如下：
从负载线路部分可获得的最大相移受到带宽和二极管功率处理考虑因素的限制。可获得相移的功率约束如下所示：
其中：
Ømax = 最大相角
PL = 传输功率
VBR = 二极管击穿电压
IF = 二极管额定电流
以上因素将实际电路中的最大相移角限制在45°左右。因此，180°C 相移需要在其设计中使用四个 45° 相移部分。
C. 反射式移相器 图 3 中所示的混合耦合移相器是一种使用最少数量的二极管处理高射频功率和大增量相移的电路设计。该电路的相移如下所示：
图 3 混合耦合器反射式移相器
该电路中分流 PIN 二极管上的电压应力还取决于所需的相移量或“位”大小。最大电压应力与 180° 钻头相关，对于其他钻头尺寸，电压应力会降低 (sinØ/2)1/2 倍。最大相移、传输功率和 PIN 二极管额定值之间的关系如下：
与负载线路移相器相比，混合设计在使用相同二极管时可以处理高达两倍的峰值功率。在混合和负载线路设计中，最大位大小的功率依赖性与 PIN 二极管可以处理的最大 RF 电流和峰值 RF 电压的乘积有关。通过明智地选择平面中的标称阻抗PIN 二极管平面中的标称阻抗，电流和电压应力通常可以调整到器件额定值范围内。通常，这意味着降低标称阻抗以降低电压应力以支持更高的射频电流。对于 PIN 二极管，应指定最大额定电流或取决于额定功率耗散，而射频频率下的最大电压应力取决于 Iregion 厚度。
PIN 二极管失真模型
本文的开头部分涉及大信号操作和热考虑因素，使电路设计人员能够避免导致 PIN 二极管性能显着变化或功耗过大的情况。一个微妙但通常很重要的工作特性是信号形状的失真或变化，它总是由 PIN 二极管在其控制的信号中产生。
失真的主要原因是在应用 RF 信号期间 PIN 二极管阻抗的任何变化或非线性。这些变化可能是二极管的正向偏置电阻 RS、并联电阻 RP、电容、CT 或低频 IV 特性的影响。失真水平的范围可以从低于 100 dB 到接近所需信号的水平。失真可以在傅立叶级数中进行分析，当应用于单个输入信号时采用传统形式的所有阶次的谐波失真，而当应用于多个输入信号时采用谐波互调失真。
PIN 和其他 RF 导向半导体二极管通常需要非线性、失真生成行为。自偏置限幅二极管通常设计为工作在接近或低于其发射时间频率的薄 I 区 PIN 二极管。在检测器或混频二极管中，利用了二极管在高频下遵循其 I-V 特性的能力所导致的失真。在这方面，应用于检测器二极管的术语“平方律检测器”意味着二阶失真发生器。在本文开头讨论的 PIN 开关电路以及此处讨论的衰减器和其他应用中，描述了选择和操作 PIN 二极管以获得低失真的方法。
有一种常见的误解，认为少数载流子寿命是影响失真的唯一重要 PIN 二极管参数。这确实是一个主要因素，但另一个重要参数是 I 区的宽度，它决定了 PIN 二极管的渡越时间。发射时间较长的二极管更倾向于保持其存储电荷的静态水平。厚 PIN 二极管的较长传输时间反映了其遵循 PIN 二极管电阻存储电荷模型的能力
根据：
其中：
IF = 正向偏置电流
τ = 载流子寿命
W = I 区域宽度
µn = 电子迁移率
µp = 空穴迁移率
而不是非线性的 I-V 特性。
载流子寿命对失真的影响与由 DC 正向偏置电流引起的存储电荷的静态水平以及该存储电荷与由 RF 信号添加或去除的增量存储电荷的比率有关。
PIN 二极管开关中的失真
对正向偏置 PIN 二极管开关产生的失真进行了分析*，结果表明其与存储电荷与二极管电阻的比率以及工作频率有关。二阶互调截点 (IP2) 和三阶互调截点 (IP3) 的预测方程是根据 PIN 半导体分析得出的，如下所示：
其中：
F = 频率
RS = PIN 二极管电阻欧姆
Q = 以 nC 表示的存储电荷
在大多数应用中，对于小或中等信号大小，反向偏置二极管产生的失真小于正向偏置产生的失真。当施加到 PIN 二极管的反向偏压大于峰值 RF 电压时，情况尤其如此，以防止任何瞬时摆动进入正向偏压方向。
在 PIN 二极管电路中产生的失真可以通过以背对背方向（阴极到阴极或阳极到阳极）连接一个额外的二极管来减少。这导致失真电流的抵消。消除应该是完全的，但每个 PIN 二极管产生的失真在幅度上并不完全相等且相位相反。这种背靠背配置预计可以改善大约 20 dB 的失真。
衰减器电路中的失真
在衰减器应用中，失真与 RF 与 DC 存储电荷的比率直接相关。在此类应用中，PIN 二极管仅在正向偏置状态下工作，并且通常在存储电荷可能非常低的高电阻值下工作。在这些操作条件下，失真将随着衰减级别中的电荷而变化。因此，选择用于衰减电路的 PIN 二极管只需要根据其较厚的 I 区宽度进行选择，因为在任何固定二极管电阻 Rs1 处存储的电荷仅取决于此尺寸。
考虑在需要 50 Ω 电阻的应用中使用 MA4PH451 PIN 二极管。 MA4PH451 数据表表明 1 mA 是发生这种情况的典型二极管电流。由于该二极管的典型载流子寿命约为 5 µS，因此 MA4PH451 二极管在 50 Ω 时存储的电荷为 5 nC。但是，如果串联插入两个 MA4PH451 PIN 二极管，以实现相同的 50 Ω 电阻水平，则每个二极管必须偏置在 2 mA。这导致每个二极管存储 10 nC 的电荷或 20 nC 的净存储电荷。因此，串联添加第二个二极管可将有效存储电荷乘以 4 倍。这将对减少衰减器电路产生的失真产生显着的积极影响。
测量失真
由于失真电平通常比所需信号低 50 dB 或更多，因此需要采取特殊的预防措施才能进行准确的二阶和三阶失真测量。首先必须确保所使用的信号源没有失真，并且所使用的频谱分析仪的动态范围足以测量指定的失真水平。这些要求通常导致在设备输出端使用基频带阻频率以及预选器来清理所使用的信号源。为了确定测试设备和信号源是否足以进行所需的失真测量，应首先通过移除二极管并用无源元件替换它们来评估测试电路。这种方法允许优化测试设置并建立基本的测量限制。
由于谐波失真仅出现在信号频率的倍数处，因此这些信号可能在窄带系统中被滤除。由两个输入信号混合引起的二阶失真将出现在这些频率的和和差处，也可能被滤除。为了帮助识别在频谱分析仪上看到的各种失真信号，应该注意的是，第二个失真信号的电平将直接以与输入信号电平的任何变化相同的速率变化。因此，信号增加 10 dB 将导致二阶失真相应增加 10 dB。
频率为 FA 和 FB 的两个输入信号的三阶互调失真通常会在频率为 2FA - FB 和 2FB - FA 时产生带内不可滤除的失真分量。这种类型的失真在位于等间隔信道上运行的发射器附近的接收器中尤其麻烦。在识别和测量此类信号时，应注意三阶失真信号电平的变化速度是基频信号频率变化率的两倍。因此，输入信号 10 dB 的变化将导致在频谱分析仪上观察到的三阶信号失真功率发生 20 dB 的变化。
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