二极管结具有随反向电压变化的耗尽区和结电容。这种“变容二极管效应”已用于无线电接收器的电子调谐和其他小信号应用数十年。近，一种称为“负载调制”的射频功率放大器技术被描述[2]，[3]。我们测试了硅快速恢复二极管、碳化硅肖特基二极管、MOSFET 和传统高压硅整流器，以用作电子调谐电容。 我们找到了具有合适反向电压与电容特性的快速恢复二极管。RFN5TF8S 是一款超快速整流器，反向恢复时间在 30-50 纳秒范围内。LTSpice 4 中包含此部件的模型。使用这些二极管进行了模拟。在 30 至 600 伏特直流反向偏置电压下，获得了超过 2:1 的模拟谐振频率范围（图 2 和图 3）。 二极管电容模拟电路
图1：二极管电容模拟电路 图 1 600V 反向电压下的模拟响应
图 2：图 1 中 600V 反向电压的模拟响应 随后，我们对这些超快速恢复二极管进行了在线评估。虽然这些模拟看起来“还行”，但在线测试结果却让我们感到惊讶。 图 1 中 30V 反向电压下的模拟响应
图 3：图 1 中 30V 反向电压的模拟响应 我们发现“快速”二极管器件以及 SiC 肖特基二极管的射频耗散较高。电压波形显示未发生反向击穿或正向传导。损耗机制尚不清楚。 我们尝试将标准和超结硅 MOSFET 用作变容二极管。为此，我们将栅极和源极引线短接在一起，并使用漏极/源极端子作为电压可变电容。然后，我们将两个这样的器件背对背放置。这又带来了惊喜，这次是令人愉快的。使用两个 SPP17N80C3 超结器件时，在 25 瓦功率水平下的总耗散小于 1 瓦，在 100 瓦功率水平下的总耗散小于 3 瓦。 耗散是通过直流电源替代来确定的，其中调整直流耗散（I x R）以复制在射频条件下观察到的温升。 尝试了两个 Cree/Wolfspeed 280 毫欧、900 伏碳化硅 MOSFET。在 25 瓦 RF 功率下，我们惊讶地发现功耗总计接近 5 瓦。计算表明，米勒 (CGD) 电容电流乘以内部栅极电阻足以超过器件的阈值电压，从而导致过度传导损耗。（见参考文献 5） 这些部件的数据表明内部栅极电阻为 26 欧姆。尚不清楚为何一项具有如此巨大性能潜力的技术却因如此大的内部栅极电阻而受到阻碍。 “老式”整流二极管作为变容二极管和开关 标准 1N5408 3 安培 1000 伏整流二极管作为变容二极管进行了测试，结果出奇地好。单个二极管在 25 瓦 RF 功率下仅耗散 0.35 瓦，在 100 瓦 RF 功率下仅耗散 2.5 瓦。四个这样的二极管并联连接。在 100 瓦 RF 功率下，二极管网络的耗散约为 1.5 瓦。将 C2 分成 C2 和 C3 可降低图 4 中“变容二极管”电路上的 RF 电压，从而实现 30dB 的功率控制。 变容二极管功率控制
图 4：变容二极管功率控制 3 位 PIN 开关电容数字控制电路 接下来，我们设计了一个三位数字开关电容网络，提供 8 个电容步骤。理想的高频电容开关在“开”时应具有接近零的电阻，在“关”时应具有非常高的电阻。此外，“关”状态的电容应该非常小。在考虑的所有半导体技术中，只有 PIN 二极管技术似乎可行。其他开关技术的“关”状态电容太大。在我们的功率水平下通常需要专用半导体。 具有 3 位调谐网络的功率级
图 5：具有 3 位调谐网络的功率级 简而言之，PIN 二极管可以控制安培级射频电流，直流偏置电流为几十毫安。几十年来，PIN 二极管一直被用作从 3 MHz 到千兆赫区域的射频开关。在“开启”（正向偏置）状态下，可以实现 0.3 – 2 欧姆的等效阻抗。在“关闭”（反向偏置）状态下，可以实现 1000 至 10,000 欧姆的等效串联电阻，结电容为 0.5 至 3 pF。有关 PIN 二极管理论和操作的良好概述可参阅 [6]。 我们找到了几种具有合适击穿电压额定值的 RF 级 PIN 二极管。这些特殊部件的成本过高。击穿电压高于 500 伏的标准硅整流二极管通常具有 PIN 结构。常见的整流二极管（如 1N4007（1A，1000V））已被用作昂贵的 RF 级 PIN 二极管的廉价替代品，可控制高达 100 瓦的 RF 功率 [7]。 测量了 1N4007 整流器的结电容。在 VR 为 100 伏时，电容为 2.6 pF。在 300V 时，结电容测量值为 1.8 pF。在 800V 时，电容降至 1.6 pF。来自三家制造商的 1N4007 二极管具有多个日期代码，但变化不大；800V 反向偏置电容范围为 1.5 至 2.3 pF。 图 5 显示了我们的 PIN 开关概念的示意图。在 100 VDC 输入和 110 瓦输出时，PIN 开关在反向偏置时实际上是开路。电感器 L3 被选择与 PIN 二极管“关闭”电容产生共振，使开关对电路操作透明。1N4007 在“关闭”时的温升太小，无法准确测量。 在“开启”状态下，向 PIN 开关施加 20 毫安正向偏压。二极管温升同样太小，无法准确测量。当 65 瓦输出到 50 欧姆负载时，负载电流约为 1.15 安培。由于开关电容只是总调谐电容的一小部分，因此 PIN 开关仅传导总负载电流的一小部分。如果 PIN 开关电阻为 1 欧姆，我们估计在“开启”状态下会产生毫瓦级功耗。
表 1：功率输出与调谐字。 只要没有直流电流流过，PIN 二极管就会倾向于在峰值施加的 RF 电压附近自偏置。因此，无需高压负偏置源即可关闭 PIN 二极管，从而简化了 3 位 PIN 开关。完整的功率放大器和电容网络电路如图 5 所示。功率输出与调谐状态（从 000（八进制“0”）到 111（八进制“7”））的关系如表 1 所示。第 4 列显示每个状态的 DC - RF 效率。该电路将 PIN 二极管连接到地，大大简化了驱动电路并增加了输出功率范围。
