一种高线性吸收式限幅器设计方法_杜伟.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering111限幅器是微波毫米波系统中的一种重要的功率保护器件。在接收系统中，限幅器可以保护后级电路防止功率损坏；在发射系统中，限幅器也可以防止驱动放大器输出功率过高，导致功率放大器出现过饱和的问题。传统微波限幅器为实现高功率限幅，经常采用分立管芯级联组装，电路尺寸较大，难于集成；而反射式的电路结构也容易将高功率信号返回系统内部，导致器件损坏。随着微波系统复杂程度的提升，限幅器的应用领域和条件也在不断扩展，实现小型化、易集成、耐功率高、线性度高的限幅器是重要的技术发展方向 1。本文提出一种采用基于 GaAsPIN 二极管设计的高线性吸收式限幅器电路结构。在 GaAs 芯片上集成多组PIN 二极管串联结构。同时，加载功率负载，实现吸收式限幅电路结构2-3，保证限幅器大功率工作时驻波比指标优良。本设计方法实现高集成、耐功率高、线性度高的限幅器电路结构，可应用多种微波毫米波综合系统。测试结果表明，在 S 频段，限幅器插入损耗小于 0.5dB，承受功率可达到 10W，输出 P-1 功率大于 22dBm，限幅输出功率小于 25dBm。该设计方案可扩展限幅器的应用范围，提升限幅器的使用环境。1 电路基本原理1.1 PIN二极管限幅工作原理限幅器常采用微波 PIN 限幅二极管来制作,利用PIN 限幅二极管的射频电导率调制效应，等效为电流控制变阻器，来实现对输入信号的衰减。当输入功率较小时，PIN二极管输出表现为小插损状态，工作在线性区域；当输入功率逐渐增加，超过 P-1 转折点后，PIN 二极管开始迅速压缩，输出功率缓慢上升；当超过一定功率后达到限幅饱和状态，隔离度不再改变。单级限幅器输入输出功率曲线变化如图 1 所示。1.2 PIN二极管开启电平由 PIN 二极管基本电路可知 4，PIN 二极管的 I 层厚度，决定PIN二极管的开启功率电平。二极管I层越厚，开启电平越高。理论上可以通过控制 PIN 二极管的 I 层，来实现对二极管开启电平的控制。但限幅器的工作频率一种高线性吸收式限幅器设计方法杜伟王磊邓世雄白锐（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）摘要：本文介绍了一种采用 GaAs 二极管设计的高线性吸收式限幅器设计方法。电路采用多级 GaAs PIN 二极管串联形式和加载功率吸收负载，利用 GaAs PIN 二极管线性度高、耐功率高的特点，可实现低损耗、线性度高和驻波比优良的高集成限幅器结构。测试结果表明在 S 频段，限幅器插入损耗小于 0.5dB，承受功率可达到 10W，输出 P-1 功率大于 22dBm，限幅输出功率小于 25dBm。本文提出一种新式高线性吸收式限幅器设计方法，在限幅器技术领域具有广阔的应用前景。关键词：限幅器；GaAs 二极管；高线性；高集成图 1：单级限幅器输入输出功率曲线图 2：PIN 二极管剖面图及其射频等效电路电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering112和 PIN 二级管的 I 层厚度成反比，I 层较厚的 PIN 二极管只能应用于中小功率及低频段限幅。而且实时改变二极管 I 层厚度从实现角度来说难度较大。图 2 为 PIN 二极管芯片剖面图及其射频等效电路。可提高PIN二极管开启电平的方式还有堆叠结构（如图 3(a)）和反偏结构（如图 3(b)）所示5-6。如图 3(a)所示，通过将 2 颗 PIN 二极管串联堆叠，可以等效为增大 PIN 二极管的 I 层，理论上该“厚 I 层”的 PIN 二极管开启功率电平为原来二极管的 2 倍，即提高 6dB。图 3(b)为 PIN 二极管反偏结构，即利用外部馈电对PIN二极管施加额外电压，提高二极管的偏置状态，从而改善开启功率电平。采用二极管串联堆叠结构，易于集成，电路尺寸小，是提高限幅器开启功率电平和线性度的有效设计方法。2 限幅器电路设计2.1 限幅器电路结构设计限幅电路采用三级限幅电路，每级使用 GaAs PIN二极管串联再背对背结构，保证输入和输出端口的耐功率特性；第一级和第三级限幅电路串联高功率负载，保证大功率信号注入时端口驻波良好，同时实现吸收式限幅7；采用 SiC 衬底单片集成，可提高电路的热导率和热容，最终实现芯片结构的限幅器，体积小，易于集成。由图 4 可知，每级限幅电路采用相同两个 GaAs PIN二极管串联再并联背对背结构，该设计可以有效抑制二次谐波，提高线性度和 OIP3。所选的 GaAs PIN 二极管，I 层厚度 1.2m，开启电压 1.2V，输出 P-1 可达 12dBm1GHz，耐功率 5W，载流子寿命 5ns；经串联后开启电压 2.4V，输出 P-1 可达 20.6dBm1GHz，耐功率可达 10W，限幅输出功率小于 25dBm。三级限幅器级间通过两段/4 移相电路，增加限幅器的隔离度，可降低泄露功率；50 负载为集成薄膜电阻，借用 SiC 高导热优势，提高耐功率能力；扼流电感为第一级和第三级限幅器提供直流回路；同时限幅器采用单片集成方式，负载、电路及二极管集成于一颗 SiC衬底的限幅器芯片上，缩小体积，便于集成应用。2.3 移相电路设计加载/4 移相电路，可增加限幅器的隔离度，同时对于带内平坦度和损耗等指标也有一定改善作用。本文采用集总元件的多级高低通移相网络形式8，利用 LC元件实现三级 90高通滤波器移相网络，可实现较小的电路尺寸。在采用串联电容 C 和并联电感 L 的条件下，电容量和电感量用下列公式得出，其中 为角频率，Z0为特性阻抗，f 为频率。（1）（2）考虑产品体积，本限幅器电路采用三级移相网络，选择频率 2GHz 时的移相 90高通 型移相网络，可保证频率低端的移相，同时也兼顾全频带指标。由公式（1）和（2）计算得到 L=3.98nH，C=1.59pF。3 限幅器性能仿真分析3.1 限幅器电路仿真模型限幅器采用三级限幅电路结构，每级采用四个GaAsPIN 二极管管芯，每两只串联后再反向并联。在第一级和第三级电路，加载功率吸收负载和扼流电感，实现对功率的吸收，减小反射。参照电路原理图 4，限幅(a)堆叠结构 (b)反偏结构图 3：PIN 二极管堆叠结构与反偏结构图 4：限幅器电路原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering113器电路仿真模型如图 5 所示。所选的 GaAs PIN 二极管，I 层厚度 1.2m，开启电压 1.2V，载流子寿命 5 ns，结电容 Cj 为 0.15pF，正向电阻为 0.5。扼流电感 L1-L2 选取 39nH，型移相网络电容 C1-C2 选取 1.6pF，电感 L3-L6 选取 4nH。3.2 限幅器电路仿真结果工作频率设计为 2GHz-4GHz，输入最大功率 10W（CW）。小信号仿真结果如图 6 所示，在 2GHz-4GHz 范围内，小信号插入损耗小于 0.5dB，驻波系数小于 1.3。限幅器电路具有较好的低损耗和端口驻波特性。当大信号输入 10W 时，限幅从 2GHz-4GHz 的限幅输出功率如图 7(a)所示，由图可知在整个工作频带内泄漏功率小于 25dBm。由于采用吸收式电路，大信号输入(b)大信号图 5：限幅器电路仿真模型图(a)小信号图 6：限幅器电路小信号仿真结果(a)插入损耗(b)驻波系数电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering114时端口驻波小于 2，这对与前后端电路具有很好的保护作用。限幅器电路输出功率特性如图 8 所示，输出 P-1 功率 大 于 22.2dBm2GHz，在 4GHz 处 大 于 23.2dBm 4GHz，限幅器具有较好的线性指标。3.3 仿真结果分析由仿真结果可以看出，限幅器电路在较宽的工作频率内可以实现较好的性能指标。由于电路将采用芯片化设计，考虑到体积和散热，最大输入功率设置为 10W（CW）。采用 SiC 衬底和 GaAs 工艺实现，电路将具有较小的体积和较好的散热能力，在收发系统前端将具有很广的应用前景。4 结论本文设计了一种高线性吸收式限幅器电路结构。该产品采用 SiC 衬底，GaAs 工艺实现，具有体积小、散热性能好的特点。同时采用吸收负载结构，在大信号输入时，可实现优良的端口匹配特性，对前后级电路具有很好的保护作用。仿真结果表明，在 S 频段，限幅器插入损耗小于 0.5dB，承受功率可达到 10W，输出 P-1 功率大于 22dBm，限幅输出功率小于 25dBm。该设计方案可实现小型化、高线性限幅器电路结构，性能优良，易于集成，可显著提升限幅器应用范围。参考文献1 喻梦霞,李桂萍,张小川.微波固态电路 M.成都:电子科技大学出版社,2015.2 施小翔,许庆,向虎,等.S 波段宽带限幅低噪声放大器的设计 J.信息化研究,2019,45(4):57-60.3 周全，孔令甲.一种 VHF 频段 1200W 吸收式限幅器的设计 J.舰船电子对抗,2017,40(6):112-115.4 WHITE J F.微波半导体控制电路 M.王晦光,黎安尧译.北京:科学出版社,1983:51-84.5 王乔楠,王生明,邓世雄.PIN 二极管限幅器线性度探究 J.固体电子学研究与进展,2021,41(05):365-369.6 邓世雄,高长征,陈书宾.线性限幅器的设计与研究 J.微波学报,2020,36(3):97-100.7 韩欣丽,丁玉宁,卢毅,等.大功率平衡式限幅开关设计 J.固体电子学研究与进展,2016,36(2):119-123.8 赵卫宏,胡明春,白义广.基于集总元件的多级高低通移相器设计 J.微波学报,2010,26(S1):242-245.作者简介杜伟（1974-），男，河南省安阳市人。工程师。研究方向为混合集成电路设计与工艺制造。王磊（1983-），男，辽宁省阜新市人。研究生，高级工程师。研究方向为微波、毫米波电路设计和集成工艺技术。邓世雄（1988-），男，河北省晋州市人。研究生，高级工程师。研究方向为微波混合集成电路设计。白锐（1980-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人。研究生，高级工程师。研究方向为混合集成电路设计与电路研究。图 8：限幅器电路输出功率仿真结果图 7：限幅器电路大信号仿真结果(a)泄露功率(b)驻波系数