1 PIN射频开关
1.1 工作原理
PIN二极管是一个在射频和微波频段受偏置电流控制的可变阻抗器．它的结构有三层，在硅半导体二极管的P结和N结中间夹着高阻值的本征I层。在正向电流偏置下，空穴和电子被注入到I层。这些电荷不会立刻相互抵消而消失。而是会存在一定的时间．这个时间定义为载流子寿命?，这样，就会产生并存储一定的电荷量，这些电荷使得I层的有阻抗降低到R。当PIN管处于零偏或反偏的时候，在I层不会存储电荷，这样二极管就表现为一个电容CT并联一个电阻R．也就是利用了PIN二极管在不同偏置电流下，存储在I层的电荷量的不同从而表现出高或低的阻抗值。 PIN二极管主要参数
RS正向偏置状态下的串联电阻 Cr零或R
p
零或反偏状态下的并联电阻
VR最大允许的反偏直流电压
?载流子寿命
PD最大平均功耗
1.2 PIN二极管的射频等效电路
PIN等效电路
在等效电路中，L为寄生电感，一般小于1nH，在射频（300KHz-30GHz）情况下其阻抗很小，可忽略。正向偏置时，阻抗主要由RS决定，但RS亦很小，所以在串联电路中起导通作用，也就是开关的“开”。反向偏置时，电阻Rp和偏置电流成正比，与频率成反比，其阻值远大于电容Cr阻抗，因此阻抗主要由Cr决定，而Cr阻抗很大，因此在射频电路中起到断开作用，也就是“关”。
1.3 PIN开关的主要性能指标
带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。
插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率PA与开关导通时负载获得的实际功率PLD之比示隔离度，写成分贝的形式
PA/ PLD。若开关在关断时负载上的实际功率为PLD，则表
。根据网络散射参量的定义，有
。理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只
能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。
功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。
驱动器的要求：PI N 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，
后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。
开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I
区中的电流方程如下：。开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN
管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取
决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。
电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。
开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于Xc>>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。
1.4 PIN二极管开关电路结构及分析
用串联或者并联的方式，可以简单的分为单刀单掷开关（SPST）和单刀双掷开关（SPDT）。串联方式主要用于宽频，较小插入损耗的应用中；并联主要用于宽频范围较大隔离度的应用中。 1.4.1单刀单掷开关
单刀单掷开关
1.4.2 单刀双掷开关
单刀双掷开关
对并联型SPDT，如果二极管D1处于正向状态，二极管D2处于反向状态，则通道1被短路，
因而无功率通过，而通道2由于处于开路状态而不影响功率的通过。由于D1接在离分支点?／4处，在D1短路时，反映到分支点为开路，因此不影响功率对通道2的传输。
1.4.3 多管阵列开关
当频率升高时，串联或并联一只PIN管的开关，其性能指标将恶化，因此，可采用多个二极管级联，以提高开关性能。多管阵列型开关是在均匀传输线上等间隔的并联(或串联)若干个PIN管而构成，根据微波网络理论可对阵列型开关进行分析。单管开关级联就可做成阵列式开关，因此阵列式开关的分析可归结为级联网络分析，可用传递矩阵相乘的方法求出阵列开关的衰减特性。
采用多管串联的电路形式，可加大该通道开关的功率容量：而采用多管并联的形式，则可提高该通道开关的隔离度。对于多管开关，隔离度高，频带宽是其优点，缺点是管子数多，插损大，调试困难。
1.4.4 S波段梳状线滤波器型PIN开关
梳状滤波器的结构示意图
这是由梳状滤波器和PIN管结合而形成的SPST开关，由于此种开关中的PIN管的结电容被纳入滤波器的谐振元中，PIN管的寄生参数获得了合理的利用，从而大大提高了开关的性能。因此它具有较宽的带宽、损耗小、隔离度高、结构紧凑、体积小、重量轻的特点。
如果用PIN管的C代替图l中的集中电容C5就可能形成微波PIN开关。当PIN管施加反向偏压时，PIN开关处于通过状态，这时输入的微波信号以确定的损耗通过PIN开关，此时有：Ci+Cp=Cn。其中Ci为PIN管的结电容，Cp为管壳电容。当PIN管施加正向偏压时，根据其转换特性，这时梳状滤波器的各个谐振器完全变成一个个失谐结构。它们对输入的微波信号具有完全截止的特性。
s
1.5 管芯类型参数及掺杂
1.5.1 MA-COM公司的产品
M/A-COM Technology Solutions offers a comprehensive line of low capacitance, planar and mesa, silicon PIN diode chips which use ceramic glass and silicon nitride passivation technology. The Silicon PIN Chip series of devices cover a broad spectrum of performance requirements for control circuit applications. They are available in several choices of I-region lengths and have been optimally designed to minimize parametric trade offs when considering low capacitance, low series resistance, and high breakdown voltages. Their small size and low parasitics, make them an ideal choice for broadband, high frequency, micro-strip hybrid assemblies.
Notes:
1. Nominal carrier life time,TL , specified at IF = + 10mA , IREV = - 6mA. 2. Nominal reverse recovery time specified at IF = + 20mA , IREV = - 200mA.
3. VR ( Reverse Voltage ) is sourced and the resultant reverse leakage current, Ir, is measured to be <10μA.
2 PIN限幅器 2.1 工作原理