1、PIN 开关及其互调特性分析与测量（韩周安 电子科技大学电子工程学院 成都 610054）【摘要】射频开关电路是微波设备和系统的基本单元。在大动态信号应用领域，对开关的非线性失真指标提出了很高的要求，本文对基本的开关电路及其互调特性作了分析，重点对射频开关的截点值测量方法和测量系统作了比较深入的实验研究，提出了一种级联仿真测试法，可便捷地对二三阶交调截点值超过75 和 60dB 的 PIN 开关精确测量，实测结果与理论分析一致，证明了方法的有效性，满足了工程上大动态线性测量的需要。关键词:PIN 开关 截点值 测量 国家标准学科分类代码:5906020Analysis and Measurem
2、ent of PIN Switch IntermodulationHan Zhouan(1. College of EE., The University of Electronic Science and Technology, Chengdu 610054, China)Abstract RF switch circuit is the basic part of microwave device ahd system. Nonlinear figure is necessary n the field of large dynamic range of signal.The paper
3、analysised the basic switch circuit and its Intermodulation, Measurement method and system of RF switch interpoint were studied in detail,and provided simulation-cascaded system which could measure easily 2rd and 3rd order intercept above 75dB and 60dB of PIN switch. Test result acted in accord with
4、 theoretical analysis which proved rationality in practice, satisfying the requirement of large scale linearity measure in engineering.Key words: PIN switch ,interpoint,measure1 引言射频开关是构成收发信机、交换矩阵等射频系统和设备的基本单元电路，其非线性指标是影响射频系统和设备性能的重要因素之一。最常用的射频开关器件是 PIN 管，其本身的非线性是造成开关电路非线性的根本原因。的在一个级联系统中，开关单元往往处于系统前
5、端，因此它对系统的非线性影响最为明显。如何设计和实现开关电路的非线性指标，是工程领域一个常常遇到的技术问题。由于目前市面上尚没有专门的交调测试仪器，通常采用多台相关设备搭建的办法进行测试。一般来说，准确测试交调指标至少需要两台信号源，一个信号合成器，一台频谱分析仪，构成一个级联测试系统。由于受仪器测和试系统本身动态范围及噪声水平限制，测试三阶截点达到+55dB 以上已经比较困难。在高线性应用场合，目前还没有一个便捷的标准的测试方案，给工程设计带来很大麻烦。文章对射频开关的非线性进行认真的分析，通过试验研究，提出了一种有效的满足工程应用的精确测试方法.2 PIN 开关电路微波开关利用 PIN 管
6、在直流正,反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微收稿日期：2007-05-18 作者简介：韩周安（1966） ，男，博士研究生，主要研究方向：信号与信息处理波信号通道转换作用. PIN 二极的直流伏安特性和 PN 结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于 PIN 二极 I 层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此 PIN 二极对微波信号不产生线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。PIN 二极管也具有非线性，
7、因而会产生互调，PIN 开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰。按电路形式，PIN 二极管开关有“反射式”和“吸收式”两种，反射式开关利用信号被反射达到隔离，因此，开关只有在导通状态驻波比较小，吸收式开关利用自身吸收负载吸收功率，所以在通、断状态的驻波都比较小，但承受功率较反射式差，在微波低段常采用串联或并联方式，微波高段则采用并联方式。单刀单掷反射式 PIN 开关原理图如图 1 所示，单刀单掷吸收式 PIN 开关原理图如图 2 所示。图 1 反射式单刀单掷 PIN 开关原理图图 2 吸收式单刀单掷 PIN 开关原理图微波 PIN 开关多为单刀多掷，掷数越多，技术难度越大，指标越难
8、做高，主要是隔离度和合成端驻波等指标难以保证。实际系统中，开关电路往往与功分器或放大器的等射频输出电路连接，无论在是否选中都需要较好的负载特性，因此吸收式的 PIN 开关电路最为常用。3 开关的互调分析互调分量是影响开关系统性能的一个重要的非线性指标。当多个单音信号加入非线性器件时，非线性器件总电流中出现多个频率的线性组合，引起互调。由于互调频率与信号频率非常接近，无法用滤波器滤除，因此信道中出现虚假信号，严重影响系统的信号检测和识别。按照麦克劳林展开式表示的谱能量相对最大的二、三阶互调分量的求解公式 1-3：（1）2121+2aAcos-tcost（2）31221s(-)ts(-t4）式中，
9、1、2 分别是单音信号频率， A 是信号电平，a 2 和 a3 分别是展开级数二次、三次项系数。显然，在输入信号电平一定的情况下，互调分量越小，系统的线性度越高，因此可以用互调分量的大小来衡量其线性度。然而，从上式还可以看出，互调分量数值上除了与系统的线性度有关外，还与输入信号电平有关，不符合技术指标的独立性原则，不能完整反映系统的线性度。正是这个原因，引入了二阶、三阶截点值概念。它是这样定义的：在系统输入端加双音信号，调整输入信号的幅度，当输出端的线性分量与互调分量电平相等时，所对应的输入信号功率就是互调截点值。不难理解，互调截点值这一指标由系统的线性度唯一确定的，与其它因素无关，可以完整地
10、衡量系统的线性度。实际上，PIN 管等效模型与直流偏置和信号频率相关，在不同偏置下，其等效阻抗不同，开关对信号的衰减也不同，表现出的非线性互调特性也很不相同。下图显示出开关衰减量、信号频率和互调截点关系 4： 图 3 不同衰减量和信号频率下射频开关交调特性可以看出，当射频开关衰减量较大时，其交调比较严重，且与信号频率有关，这种情况会发生在 PIN 管可变衰减器应用场合。当 PIN 管用作微波开关，在导通条件下，其衰减很小，例如在短波频段（1-30MHz） ，开关直流偏置电流一般在 10mA 以上，信号衰减一般为 1dB 左右，二阶、三阶截点值一般在 75 dBm 和 60 dBm 以上，表现出
11、较高的动态特性。4 互调截止点测量互调产物对系统的影响程度取决于信号间隔和系统的带宽。如果两个单音信号1、 2 大致相等，则频率相加的互调产物 21+2 和 22+1 将会落在窄带系统的通频带外，而频率相减的互调产物 21-2 和 22-1 将会靠近在通频带甚至落在通频带内。对于二阶交调言，在倍频程或更宽的宽带系统中，通频带内的信号可以产生很强的带内二阶互调产物，这时可以采用平衡或推挽等对称电路来减小二阶互调产物的影响。工程上，二、三阶截点值已经成为一个常见的技术指标。按照截点定义实际测量时，接收系统在输入信号达到二阶截点电平前往往就已经饱和了，因此，无法按截点值的定义方法对其进行测试。目前，
12、工程上一种可行的方法是从截点值与互调的关系出发，通过互调和输入信号的功率来计算截点值。图 4 互调与输入和线性输出关系图互调与输入和线性输出关系图如上所示。可以看出，当用对数单位表示时，每当输入信号变化 1dB，线性输出分量便变化 1dB,而二阶互调分量则变化 2dB，三阶互调分量则变化 3dB。分别用 Pi、Po 、OIM3 表示测试时单音输入信号、单音输出信号和输出三阶互调分量的对数功率，假设输入信号增加 KdB 后达到三阶截点电平，则 5：Po + K = OIM3 + 3 K （3）经变换，得输出三阶截点值：OIP3 = Po + K= Po+（Po - OIM3 ）/2 （4）设系统
13、增益为 G，则容易计算输入三阶截点值：IIP3=OIP3-G （5）上式奠定了测量三阶截点值的理论基础。通过该式可以计算任一输入双音信号电平下的三阶互调,进而可以更直观地分析系统的非线性。同样道理，输出输入二阶截点值计算测量公式为：OIP2 = 2Po-OIM3） （ 6）IIP2=OIP2-G （7）待测开关频谱分析仪合路器信号源( 一 )信号源( 二 )输入输出图 5 互调截点值测量原理图上图是一个典型的二阶、三阶截点测量级联系统，由信号源、合成器、频谱分析仪和测试电缆构成，环路中每一个环节的影响不可小视，需要稳定的信号源、高隔离度的信号合成器及大动态的频谱分析仪。不考虑测试系统本身的影响
14、，若要测量三阶截点值 70 dBm的开关，对照上述公式，在不另外增加衰减器等测试附件条件下，所需输出单音信号功率Po 和可在频谱仪上读出的三阶互调抑制比 IM3 动态关系如下：表 1 信号功率与互调截止点测量关系：Po（dBm） 10 20 30 40 50IM3（dB） 120 100 80 60 40显然，要想测量开关的三节截止点，在信号功率和频谱分析仪动态要求两方面存在矛盾。大功率的信号源很难找到，一般信号源最大输出功率在 17dBm 以内，这时要求频谱分析仪可读动态在 100 dB 以上，因此必须仔细调节仪器的视频带宽、分辨率、基准电平、衰减和扫描带宽才能准确读出数值。更为严重的是，按
15、现在的仪器和测试系统水平，信号源、合成器和频谱仪构成的测量系统本身能够测得的三阶截点值也仅为 70dBm 左右，因此很难准确测量开关的动态了。 5 开关互调截止点测量为了达到测量开关截点的目的，一种有效的测量方法是级联仿真验证法。如下图所示：待测开关频谱分析仪合路器信号源( 一 )信号源( 二 )输入输出放大器图 6 改进的互调截点值测量原理图引入一个高线性动态的放大器，首先单独测量其交调指标，其输出二、三阶截点值分别记作 IIP3a 和 IIP2a，按上图将放大器与待测开关级联测量，记下测量结果 IIP3c 和IIP2c。因为开关对放大器的交调会产生恶化，可用级联仿真软件 CASCADE2
16、反推出开关的交调值 IIP3s 和 IIP2s。对一个真实的短波放大器和 PIN 多路开关进行互调指标测量，放大器增益为 17.5dB，频率范围为 1-30MHz,开关插损为 1.0dB，在高中低不同频点上测试，结果如下表所示，完全反映了常见 PIN 二极管（如）的交调特性。表 2 级联测试记录表：f1（MHz）f2（MHz）IIP3a（dBm）IIP2a（dBm）IIP3c（dBm）IIP2c（dBm）IIP3s（dBm）IIP2s（dBm）1.5 2.7 38.1 70.1 37.11 64.03 61.5 87.55.0 6.1 39.1 72.1 38.66 66.47 66.3 90
17、.417.5 20.0 42.2 71.8 41.43 66.68 66.8 91.219.1 30.0 36.3 78.7 35.99 69.24 65.1 90.3图 7 仿真计算软件界面6 结论PIN 二极管本身具有相对较高的二、三阶互调截点值，常规的双信号源加合成器和频谱仪的测量方法不能直接测出其准确的量值。本文提出的采用级联仿真计算的方法可以有效解决这个测量问题，在大线性动态应用，如短波、超短波通信等工程场合，完全可以满足对射频开关或交换矩阵等器件和设备的动态测量。参考文献：1、 接收机非线性分析及测试，王吉滨，孟宪德，袁业术， 系统工程与电子技术 ，Vol.25，No.2 2003
18、2、 微波功率放大器非线性失真分析，林强，张祖荫，郭伟， 微波学报 ，Vol. 20 No. 4 2004.123、 一种改善射频功率放大器非线性的预失真法，黄磊，王家礼， 现代电子技术2002 年第 12 期4、 无线应用射频微波电路设计，Ulrich L.Rohde,David P.Newkirk 著，刘光祜，张玉兴 译，电子工业出版社5、 Earl G F. Receiving System Linearity Requirements for HF Radar J .IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement,1991,40 (6):1038-1041.
