PIN二极管在射频开关电路中的工作原理及应用
摘 要：本文以PIN二极管为主题，探讨其在射频开关电路中的工作原理与应用问题。首先对PIN二极管的独特性质和使用范围进行了简要概述；主要分析了它的基本结构、射频等效电路，重点分析了PIN管在开关电路中的应用问题，如连接方式、串联型开关分型、并联开关分型。希望通过本文初步论述可以引起更多的关注与更广泛的交流，为该方面的理论研究与应用实践工作，提供一些有价值的信息，以供参考。
关键词：PIN二极管；射频开关电路；工作原理；应用
一、PIN二级管
PIN二极管属于可变阻抗器，它需要通过一定的频率范围来完成工作任务；从应用范围来看，主要应用于射频、UHF、微波电路之中；从控制方面来看，则可以通过直流电流对阻抗值加以控制（要求两端共同作用完成控制）；从特征上来看，它具备自身客观性的独立特异性、性质比较鲜明，比如，偏置电流小、控制射频功率大就非常引人注意。
二、PIN二极管在射频开关电路中的工作原理及应用
1）基本结构。 从结构方面分析，PIN二极管有三个层构，分别为P结、N结、本征I层；实际上讲，就是从A与I层间夹P+，而在P+与N+间夹I层；通常来看，电流偏置属于正向，电子、空穴就会注入到I层，由于电子在互相的吸引或排斥或抵消方面存在时间间隔，因此它们在互相接触后并不会立刻消失，因此，它是以载流子寿命的时间形式（T）而存在；在工作过程中会出现电荷量的聚拢与存储，也会对I层的阻抗有所降低（R）；当PIN管在反向电为零的情况下，或处于零偏、反偏时（Cr），电荷在I层不会有聚拢或存储现象发生；根据原理具体推理，就可以得到一个二极管呈现出电容、电阻并联的情况；比如，一个电容CT与一个电阻Rp并联。在此还会涉及到最大允许反偏直流电压（VR）、正向偏置状态下的串联电阻（Rs ）、最大平均功耗（Po）诸因素。
2）射频等效。所谓等效电路也就是有正偏、反偏动向与射频情况下，寄生电感小到忽略不计时所得到了具体数值。通常会有两种情况表现，首先，当其处于正向偏置情况下，阻抗一般以正向偏置状态下的串联电阻为主，它会起到决定性的作用；由于在这种状态下它的值非常小，因而串联在射频电路中会以导通的功能性作用显现出来；也可以将其更为形象、直观的理解为一个开关的功能，这种状态与情况下且处于“开”，如下图1所示。
其次，若在反向偏置情况下，并联电路中的电阻、电流之间的比例为正比，那么，它与频率的比例关系就恰好相反，属于反比例关系；因此，在射频电路中，电阻值会大于PIN管在反向电为零的情况下，或处于零偏、反偏时所产生的阻抗，在这种情况下阻抗也由与之相匹配的Cr决定；根据经验与实践情况的总结来分析，如果它产生的阻抗能够非常高，那么并联就可以达到类似于开关中的“关”或“断开”的功能性作用，如下图2所示。
设IL为插入损耗，I为隔离度，Rs为正偏时等效串连电阻，CT为反偏时的等效结电容，f为测试频率，Z0为系统阻抗；则在串连型开关类型中，可以根据公式：
IL=20log10（1+Rs /2Z0），I=10log10[1+（4πfCTZ0）-2]
若CT为反偏时的等效结电容，则根据上面的射频等效原理，可以在并联型开关中得出插入损耗与隔离度分别为：
IL=20log10（1+Z0 /2Rp），I=10log10[1+（4πfCTZ0）2]
因此，在串联型开关中就可以根据公式中代入相关数据，画出某个电阻系统中的插入损耗曲线，从图形进行判断，通常的结果显示，多掷开关插入损耗略大一些，其原因在于另一PIN二级管的反偏时的等效结电容引起的电阻抗失配。而在隔离度方面，若对开关增加dB隔离度，一个PIN二级管“开”，另一个“关”，开的一边负载上会产生相应的压降；在并联型开关中，PIN二级管会提供更大的隔离度，一般情况下，隔离度为PIN二级管的为正偏时等效串连电阻函数，插入损耗以反偏时的等效结电容作为依赖，并联型开关适应性强，若增加dB隔离度，那么就会与串联时的开关原因相同，多掷型开关插入损耗依然较大。
3）应用。首先，从PIN管的连接方式上看，一般它用在控制射频信号开关器件方面，而且在不同的偏置电流下，I层电荷量会存在差异，因而阻抗值也有异同；当其在串联、并联方式中，可以起到一个O/I的作用，也就是说，二者构成了一个单刀单掷开关；从串联方式来看，以宽频率范围为主，应用于较小插入损耗；但在并联方式中，虽然也属于宽频率范围，然而有应用于较大隔离；也就是说串联、偏置电压为正，插入损耗小，开关开，偏置电压小于等于零，以电容形式表现，存在较大隔离，开关“关”；若是并联方式，则与此刚好相反。所谓的多掷开关相对于单掷开关应用更为广泛，一般可以通过将单刀双掷开关达到这种目标的完成。其次，如果理解了PIN二极管在射频开关电路中的工作原理、等效电路、串联型、并联型情况下的功能或作用，那么对其应用就会有一个清晰的认知；但在实际电路应用前，还可以进行一些实验性质的电路设计，并对相关的理论性的数据加以测试与验证，并做出评估报告，为实践应用提供更为可靠的依据与保证。
三、结语
总之，对于PIN二极管的工作原理与应用实践问题的探讨，应该从基本的概念开始，分析它在不同分型中的作用与连接方式；重视结构分析及应用差异区分；另外，应该增加模拟实验，对各种参数取值，进行实际模拟电路的设计，并对测试结果进行评估分析，为真正的实践应用提供数据支持与技术依据。
参考文献：
[1] 王璟.PIN二极管电子开关在滤波器切换中的应用[J].甘肃科学学报，2015（3）.
[2] 李新梅，丁家峰，曹建等.PIN二极管在有线电视收费系统中的应用[J].电子元件与材料，2014（8）.
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