二极管结具有随反向电压变化的耗尽区和结电容。几十年来，这种“变容二极管效应”一直用于无线电接收器的电子调谐和其他小信号应用。近，描述了一种称为“负载调制”的射频功率放大器技术 [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 和传统的高压硅整流器，可用作电子调谐电容。
　　我们发现快速恢复二极管具有合适的反向电压与电容特性。RFN5TF8S 是一种超快速整流器，反向恢复时间在 30-50 纳秒范围内。此零件的模型包含在 LTSpice 4 中。使用这些二极管进行了仿真。在 30 至 600 伏直流电之间的反向直流偏置电压下，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 在 600V 反向电压下的模拟响应

　　图 2：图 1 在 600V 反向电压下的模拟响应
　　随后，我们对这些超快速恢复二极管进行了在线评估。虽然这些仿真看起来“还可以”，但我们对在线测试感到惊讶。

　　图 1 在 30V 反向电压下的模拟响应

　　图 3：图 1 在 30V 反向电压下的模拟响应
　　“快速”二极管器件以及 SiC 肖特基二极管具有高 RF 耗散。电压波形显示，既没有发生反向击穿，也没有发生正向传导。损失机制尚不清楚。
　　我们尝试了标准和超结硅 MOSFET 作为变容二极管。为此，我们将栅极和源极引线短接在一起，并将漏极/源极端子用作电压可变电容。然后，我们背靠背放置了其中两个设备。这导致了另一个惊喜，这次是愉快的。使用两个 SPP17N80C3 超级结器件时，在 25 瓦功率水平下的总功耗小于 1 瓦，在 100 瓦水平下的总功耗小于 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 W 的 RF 功率下，我们惊讶地发现总功率耗散接近 5 W。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，从而导致过大的导通损耗。（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。目前尚不清楚为什么具有如此大性能潜力的技术显然会受到如此大的内部栅极电阻的阻碍。
　　“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 W RF 功率下的功耗仅为 0.35 W，在 100 W RF 功率下的耗散仅为 2.5 W。四个这样的二极管并联连接。在 100 瓦的射频功率下，二极管网络的功耗约为 1.5 瓦。将 C2 分成 C2 和 C3，在图 4 中的“变容二极管”二极管电路上降低射频电压，得到 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
　　一个 3 位 PIN 开关电容器数字控制电路
　　接下来，我们设计了一个 3 位数字开关电容器网络，提供 8 个电容步骤。理想的高频电容开关在“ON”时应具有接近零的电阻，在“OFF”时应具有非常高的电阻。此外，“关断”状态电容应非常小。在考虑的所有半导体技术中，似乎只有 PIN 二极管技术是可行的。其他开关技术具有过多的“关断”状态电容。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

　　简而言之，PIN 二极管可以控制安培级射频电流，直流偏置电流在几十毫安范围内。几十年来，PIN 二极管一直用作从 3 MHz 到千兆赫兹区域的射频开关。在“on”（正向偏置）状态下，可以实现 0.3 – 2 欧姆的等效阻抗。在“关断”（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。本文对 PIN 二极管的理论和工作原理有很好的概述[6]。
　　我们发现几个 RF 级 PIN 二极管具有合适的击穿电压额定值。这些特殊零件的成本高得令人望而却步。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）。已被用作昂贵的射频级 PIN 二极管的廉价替代品，可控制高达 100 瓦的射频功率 [7]。

　　测量了 1N4007 整流器的结电容。在 100 伏的 VR 电压下，电容为 2.6 pF。在 300V 时，结电容测得为 1.8 pF。在 800 V 时，电容降至 1.6 pF。来自三个制造商的 1N4007 二极管，具有多个日期代码，变化很小;800 伏反向偏置电容范围为 1.5 至 2.3 pF。

　　图 5 显示了我们的 PIN 开关概念的原理图。在 100 VDC 输入和 110 W 的输出下，PIN 开关在反向偏置时实际上是开路。选择电感 L3 与 PIN 二极管的“关断”电容谐振，使开关对电路作透明。1N4007 在“关闭”时温升太小，无法准确测量。

　　在“ON”条件下，对 PIN 开关施加了 20 马 的转发偏置。二极管温升同样太小，无法准确测量。当 65 W 输出到 50 Ohm 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 “on” 状态下会导致毫瓦级耗散。

　　表 1：功率输出与调音字。
　　只要没有汲取直流电流，PIN 二极管往往会在峰值施加的 RF 电压附近进行自偏置。因此，不需要高压负偏置源来关闭 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的关系，从 000（八进制“0”）到 111（八进制“7”），如表 1 所示。第 4 列显示每种状态的 DC - RF 效率。该电路将 PIN 二极管接地，大大简化了驱动电路并增加了输出功率范围。