一種PIN管電調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種多管陣吸收式PIN管電調(diào)衰減器，其具備具有較低的插補(bǔ)損失、較低的入、輸出的駐波比、較寬的衰減幅度、結(jié)構(gòu)和尺寸、重量輕，調(diào)制速度極快等優(yōu)點(diǎn)。這款PIN管電調(diào)衰減器設(shè)計(jì)的工作頻率為12～18GHz，駐波比小于2.0，插入損耗小于4dB，衰減量大于60dB。經(jīng)過仿真和反復(fù)的工藝制作，最終產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本次開發(fā)的PIN管電調(diào)衰減器與現(xiàn)有技術(shù)相比，性能優(yōu)良，更加穩(wěn)定和可靠，一致性高，且加工方便，宜于進(jìn)行批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：PIN管;電調(diào)衰減器

一、概述

由于現(xiàn)代通訊設(shè)備對系統(tǒng)的動態(tài)變化幅度的需求日益增大，僅靠 AGC電路已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)范圍進(jìn)行有效的控制。當(dāng)前衰減器的發(fā)展已經(jīng)形成了許多不同的方法，利用PIN管制作的電調(diào)衰減器就是其中一種比較典型的結(jié)構(gòu)形式。

PIN管電調(diào)衰減器的電路結(jié)構(gòu)形式又分很多種，其中多管陣吸收式電調(diào)衰減器的，由于其具有低的插入損失、低的輸入、大的動態(tài)衰減變化、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量好、調(diào)節(jié)速度高等特點(diǎn)，是目前廣泛使用的一種新型的機(jī)械。本文重點(diǎn)介紹了一種多管陣吸收式電調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)。

二、結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）結(jié)構(gòu)

一種多管陣吸收式電調(diào)衰減器的結(jié)構(gòu)中，主要是利用PIN管的正偏電阻隨直流偏置變化而變化的原理，PIN管或串聯(lián)或并聯(lián)在主傳輸線上，通過調(diào)節(jié)直流偏置來改變PIN管的電阻，從而實(shí)現(xiàn)衰減量的連續(xù)變化的電路。從電路的實(shí)現(xiàn)形式上，大致可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和串并聯(lián)混合式。按性能又可分為反射式和吸收式兩種。本設(shè)計(jì)中采用的結(jié)構(gòu)為所用PIN管都是并聯(lián)連接在主傳輸線上，并盡量保證PIN管與PIN管之間的傳輸線為近似四分之一波長;直流偏置則通過一段高阻線加載到各個(gè)PIN管上，通過直流偏置給各個(gè)PIN管提供電流。想要構(gòu)成等元件陣結(jié)構(gòu)形式的電路，該電路中各個(gè)PIN管就選取同封裝型號的;想要構(gòu)成漸變元件陣結(jié)構(gòu)形式的電路，就選取從微波輸入端開始各個(gè)二極管的電阻逐級變小的PIN管。

（二）工作原理

1.單節(jié)并聯(lián)電調(diào)衰減器的衰減特性

多管陣吸收式電調(diào)衰減器可以看成是由多個(gè)單節(jié)電調(diào)衰減器構(gòu)成的。單節(jié)電調(diào)衰減器的電路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。

單節(jié)并聯(lián)電調(diào)衰減器即將PIN管并聯(lián)在主傳輸線上，在 PIN管的工作頻率比 PIN管的斷開頻率低得多的情況下， PIN管等效電路可以大致看成是純電阻;PIN管加入連續(xù)變化的 DC偏壓后， PIN管的正向電阻會隨著 DC偏壓的改變而不斷地改變，因此，隨著微波信號在主傳輸線中傳送，吸收支路的阻抗會不斷地改變。

單節(jié)串聯(lián)電調(diào)衰減器即將PIN管串聯(lián)在微波主傳輸線上，工作狀態(tài)正好和單節(jié)并聯(lián)電調(diào)衰減器相反，當(dāng)PIN管的阻抗很小接近于短路時(shí)衰減量最小，PIN管的阻抗很大接近于開路時(shí)衰減量最大，即反偏時(shí)衰減最大，正偏時(shí)衰減最小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)不加控制偏置電流時(shí)，希望其插入損耗小，從而不影響主傳輸信號的傳遞，本設(shè)計(jì)采用了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路形式。

下面先來分析一下單節(jié)并聯(lián)電調(diào)衰減器電路的工作原理。

若將并聯(lián)的PIN管等效為純電阻RD，則其導(dǎo)納YD=1/RD，可以求出此等效電路的反射系數(shù)Γi和傳輸系數(shù)Ti與導(dǎo)納YD、特性阻抗Z0及電長度θ的關(guān)系，具體公式如下：

（1）

（2）

在中心頻率上電長度θ=90°，于是上述公式可簡化為：

（3）

（4）

由傳輸系數(shù)Ti可求得它的插入衰減為：

（5）

由此可得出插入衰減與電長度的關(guān)系，插入衰減分貝數(shù)越小，衰減越平坦。

由上所述可知，我們期望單級并聯(lián)電調(diào)衰減器就能實(shí)現(xiàn)大范圍的衰減量變化，但實(shí)際上單個(gè)PIN管的純電阻RD可以很小（幾歐姆），但不可能為零，所以單極并聯(lián)電調(diào)衰減器可實(shí)現(xiàn)的頻率帶寬還是比較窄的，能實(shí)現(xiàn)的衰減量的動態(tài)范圍也很有限。要想得到更寬的頻率帶寬、大動態(tài)范圍衰減量的電調(diào)衰減器，就需要通過增加衰減節(jié)數(shù)即增加并聯(lián)PIN管芯的個(gè)數(shù)來滿足要求。

2.等元件陣的衰減特性

從上述結(jié)果可以看出，單個(gè)并聯(lián)電調(diào)衰變儀的阻尼性能以及它的缺點(diǎn)，根據(jù)這一特點(diǎn)，將每節(jié)串聯(lián)在一起，便可以得出它的阻尼性能。串聯(lián)后的等元素陣衰減器的總衰減是每個(gè)節(jié)間的衰減總和;其電壓駐波比ρ與反射系數(shù)Γi的關(guān)系可由下式求得

（6）

其中Γi為單節(jié)反射系數(shù)。

由上式可，知單節(jié)的反射系數(shù)Γi與輸入電壓駐波比ρ呈正比例關(guān)系。由（3）式可知反射系數(shù)Γi是導(dǎo)納YD的函數(shù)，導(dǎo)納 YD越?。措娮鑂D越大），反射系數(shù)Γi越小，衰減量L越小，駐波比ρ越小;導(dǎo)納YD越大（即電阻RD越小），反射系數(shù)Γi越大，衰減量L越大，駐波比ρ越大。PIN管的導(dǎo)納值隨 DC偏壓的變化而變化，因此在 DC偏壓下，其輸入端的駐波比例也隨之變化。等元件陣隨著直流偏置的增加，電壓駐波比變大，帶寬也變窄，衰減功率也受到一定的限制。為了能拓展帶寬，得到大衰減量并且有比較小的輸入輸出駐波比，提出了漸變元件陣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3.漸變元件陣的衰減特性

漸變元件陣的結(jié)構(gòu)形式也可分成很多種，比如，可以在各種工作點(diǎn)處，分別添加各種偏壓的 PIN裸片，也可以選用具有多種性能的 PIN裸片。因?yàn)?PIN裸片在 i層的厚度不同，其正向電阻 Rf隨著偏置速度的改變而變化，因此可以根據(jù)需要對 PIN晶片進(jìn)行合理的配置和配置，從而提高 PIN晶片的駐波性能，并在全頻段中提高衰減率的線性，但按照這個(gè)原理來實(shí)際制作電路時(shí)，設(shè)計(jì)的電路比較復(fù)雜，不易操作。

PIN管正向性能不僅受正極電阻器 Rf的作用，而且也與晶片封裝的分配電容有關(guān)。在該方案中，利用串聯(lián)電阻器對這種分布電容進(jìn)行合理的補(bǔ)償，從而形成一種由分配電容和補(bǔ)償電感器組成的低通濾波器，從而拓寬頻帶，改善電路的性能。

根據(jù)現(xiàn)有的工藝條件，在輸入輸出采用漸變元件陣這種較為簡便易操作的結(jié)構(gòu)形式，利用這種結(jié)構(gòu)，在輸入輸出端的第一個(gè)PIN管處選取適當(dāng)?shù)腞值的電阻與其串聯(lián)，在規(guī)定頻率范圍內(nèi)，大衰減范圍下，能有效改善輸入輸出駐波比，同時(shí)由于這種結(jié)構(gòu)的PIN管具有等效阻抗最大，衰減量最小的特點(diǎn)，它所需的功耗也相對較低，因而提高了該衰減器的功率。該電路具有完全一樣的輸入和輸出特性，可交換的輸入和輸出界面，電性能保持不變。在系統(tǒng)或整機(jī)中使用該類器件時(shí)比較方便，易互換。

三、PIN管電調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)

（一）PIN管電調(diào)衰減器的工作原理

采用漸變元件陣結(jié)構(gòu)的電路形式，該電路可分為3個(gè)部分：并聯(lián)管區(qū)和兩個(gè)匹配區(qū)。匹配區(qū)的作用在于當(dāng)PIN管電調(diào)衰減器的直流偏置改變時(shí)，衰減量也隨之而改變，但端口駐波卻隨之變化甚微，從而有效地改善了端口的匹配情況。不需要在PIN管電調(diào)衰減器兩端加隔離器或其他匹配網(wǎng)絡(luò)，從而減少了系統(tǒng)的元器件個(gè)數(shù)，降低成本，提高了可靠性。并聯(lián)區(qū)的作用主要是為了達(dá)到所需的衰減量及其平坦度要求，并且可以通過調(diào)節(jié)直流偏置的電流值來改變衰減量的大小，使其滿足實(shí)際需要。

（二）PIN管電調(diào)衰減器的微波電路的設(shè)計(jì)

PIN管電調(diào)衰減器中使用的PIN管，隸屬二級管，所以它具備了二極管的所有特性。本設(shè)計(jì)中主要用到的就是二極管得寬射頻阻抗和不失真的特性。當(dāng)PIN管并聯(lián)在電路中時(shí)，當(dāng)它處于正向偏置時(shí)，PIN 管導(dǎo)通，接近于短路，此時(shí)得到最大的反射，即產(chǎn)生最大的衰減。當(dāng)它處于反向偏置時(shí)，PIN管截止，接近于開路，此時(shí)插入損耗最小。而要得到連續(xù)可調(diào)的衰減量，就要給予PIN管不同的控制電流。

設(shè)計(jì)微波電路時(shí)，同時(shí)，由于采用了由 Cj和 L構(gòu)成的補(bǔ)償電路，其關(guān)斷頻率比工作頻段要大得多，因此既能防止在工作頻率逼近這個(gè)斷開頻率時(shí)出現(xiàn)的插頭損失，而且可以得到較好的輸入電壓駐波比。圖1（a）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(jì)公式如下：

（7）

（8）

式中：L——PIN管芯兩端的補(bǔ)償電感;

Z0——微帶線的特性阻抗（50歐）;

Cj——PIN管芯的結(jié)電容;

fc——L Cj組成的低通濾波器的截止頻率。

單極PIN管衰減電路，在大于10%的相對工作帶寬內(nèi)大概可以獲得13-16dB的衰減量，將該設(shè)計(jì)代入仿真軟件進(jìn)行仿真，依據(jù)設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)，該設(shè)計(jì)最終采用八級PIN二極管并聯(lián)的電路形式，其中輸入輸出各一個(gè)PIN二極管作為吸收單元使用。微波板采用復(fù)合介質(zhì)片RT5880板材。主要元器件選用PIN二極管芯，并且是裸片。這樣選取的原因主要是帶封裝的PIN二極管有寄生電感、寄生電容，這會對整個(gè)電路有不良影響，采用裸片，可以提高電路的電性能，尤其是會改善插入損耗;另一個(gè)方面，裸片比較小巧，可以在小體積的盒體中操作，可以有效減小整件的體積。隔直器采用貼片式的高頻電容，偏置電路上的電感采用自制的漆包線繞制的電感，偏置電容采用單層高頻電容。

（四） PIN管電調(diào)衰減器的驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)然要讓PIN管電調(diào)衰減器工作必須賦予其合適的電流來驅(qū)動，而常用通信系統(tǒng)中控制信號都由數(shù)字電路輸出，即多是給一個(gè)TTL電平，其不具備電流驅(qū)動能力。因此每一個(gè)開關(guān)或微波控制電路產(chǎn)品，在電路和控制信號間都必須安裝一個(gè)驅(qū)動電路。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，從成本和裝配工藝的角度考慮，選取了普通的0805封裝的貼片電阻及熱敏電阻，電路板采用常規(guī)的FR4板材（需要有足夠的焊盤的普通線路板）。

（五）PIN管電調(diào)衰減器的工藝設(shè)計(jì)

微波電路及元器件確定后主要是微波電路裝配的工藝問題，它主要是要將微帶板及PIN管（裸管）通過導(dǎo)電膠粘接到腔體相應(yīng)的位置，隔直電容、PIN管與微帶線之間需要通過金絲連接，為了達(dá)到電路中的阻抗匹配，這里選取25Um的金絲，并通過超聲波壓焊機(jī)來實(shí)現(xiàn)。電感則是采用電烙鐵，選取合適的溫度，在顯微鏡下焊接。

（六） 測試結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，測試數(shù)據(jù)繪制了PIN管電調(diào)衰減器的衰減曲線圖，具體如圖3所示。

此衰減曲線表明了PIN管電調(diào)衰減器的衰減量和控制電流的關(guān)系，即顯示出該款PIN管電調(diào)衰減器的衰減量的線性度。

四、結(jié)束語

研制結(jié)果表明，該款PIN管電調(diào)衰減器在頻率12-18GHz內(nèi)，輸入輸出電壓比小于2.0，插入損耗小于4.0dB，衰減量大于60dB。符合設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)要求。本設(shè)計(jì)采用是一種具有良好電氣特性的電調(diào)式衰減器件。其動態(tài)阻尼范圍大，響應(yīng)速度快，輸入輸出電壓的駐波比和插入損耗以及體積都比較小，還有一致性高等優(yōu)點(diǎn)，且加工方便，宜于進(jìn)行批量生產(chǎn)。該方法是一種實(shí)用、通用的方法，適用于各種微波線路的研制。這種 PIN管電調(diào)衰減器已經(jīng)在整個(gè)系統(tǒng)中使用了，并且有很好的效果。

當(dāng)然由于時(shí)間比較倉促，實(shí)際開發(fā)過程中還有很多值得深入探討和研究的問題，在今后的工作中會注意并進(jìn)一步的進(jìn)行研究。

作者單位：戴林華? ?上海華湘計(jì)算機(jī)通訊工程有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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