一種VHF頻段1 200 W吸收式限幅器的設(shè)計(jì)

周 全，孔令甲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

一種VHF頻段1 200 W吸收式限幅器的設(shè)計(jì)

周 全，孔令甲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

基于國(guó)內(nèi)外限幅單片在VHF頻段無(wú)法實(shí)現(xiàn)kW級(jí)別的現(xiàn)實(shí)，給出了一種采用混合集成電路工藝，在VHF頻段達(dá)到1 200 W的新型吸收式限幅器設(shè)計(jì)，闡述了該限幅器的工作原理和電路設(shè)計(jì)，采用雙半有源式限幅電路，高功率移相網(wǎng)絡(luò)將四節(jié)限幅電路一體化集成。測(cè)試結(jié)果表明，限幅器工作頻率為50 MHz～75 MHz，限幅功率為1 200 W(脈寬3 ms，30%占空比)，小信號(hào)插損小于0.3 dB，駐波比小于1.3，限幅輸出功率小于15 dBm，恢復(fù)時(shí)間小于10 s。該限幅器外形尺寸為44 mm×25 mm×12 mm。技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

混合集成電路；限幅器；高功率移相網(wǎng)絡(luò)；雙半有源式限幅電路

0 引 言

限幅器作為一種重要的微波控制器件廣泛應(yīng)用于各型雷達(dá)的T/R組件，隨著雷達(dá)探測(cè)距離不斷發(fā)展，限幅器承受的功率越來(lái)越大。2015年美國(guó)Qorvo公司推出了工作頻率范圍50 MHz～6 GHz，限幅功率達(dá)到100 W 的TGL2210-SM型限幅單片(脈寬10 μs，占空比10%)，但對(duì)于寬脈寬(毫秒級(jí))、大占空比(20%～40%)、高限幅功率(千瓦級(jí))的限幅器，目前國(guó)內(nèi)外廠家還無(wú)法通過(guò)單片工藝實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的吸收式限幅器，將一種新穎的雙半有源限幅電路同PIN無(wú)源限幅電路相結(jié)合，利用混合集成電路工藝一體化集成于氣密封裝的鋁合金盒體，放棄了傳統(tǒng)吸收式限幅器通常采用的3 dB電橋，產(chǎn)品體積減小了一半，同時(shí)也對(duì)PIN限幅二極管及吸收負(fù)載做了合理的熱設(shè)計(jì)，使得限幅器的可靠性滿足工程實(shí)際使用要求。

1 電路原理

限幅器通常采用PIN 限幅二極管，利用其射頻電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入大信號(hào)的衰減。按工作方式分為反射式和吸收式，按工作原理分為有源限幅和無(wú)源限幅。無(wú)源限幅電路由于受其工作原理影響，PIN限幅二極管往往導(dǎo)通不太良好，高功率輸入時(shí)容易被燒毀，有源限幅電路需要額外增加電源支路，實(shí)際使用時(shí)不太方便。

半有源式限幅電路通過(guò)肖特基檢波二極管整流出直流，利用這個(gè)直流加快PIN二極管的導(dǎo)通，檢波二極管檢出直流的方向應(yīng)與PIN二極管正偏方向相同，以保證形成直流回路。圖1是一種常見(jiàn)的半有源式限幅電路，通過(guò)后級(jí)的肖特基檢波二級(jí)管整流出直流，加快PIN二極管導(dǎo)通。

此種電路起限電平低，承受功率大，但在高功率時(shí)檢波管容易被尖峰泄漏燒毀。雖然圖1這種電路已能為PIN管提供直流偏置，但由于到達(dá)檢波管處功率較小，檢波管整流出的直流有限，無(wú)法使PIN管充分導(dǎo)通。對(duì)于kW級(jí)別的輸入功率，設(shè)計(jì)此類限幅電路時(shí)可巧妙地將檢波管通過(guò)耦合支路引入到限幅器的輸入端，保證檢波管獲得足夠大的輸入功率，整流出足夠多的直流，促使PIN管良好導(dǎo)通[1]，如圖2所示。

2 電路設(shè)計(jì)

綜合考慮本文限幅器的技術(shù)指標(biāo)及體積，在前2節(jié)限幅電路中新穎地采用了雙耦合檢波半有源式電路，耦合支路放棄了通常采用的四端口耦合器形式，通過(guò)電容耦合保證檢波二極管整流出足夠的直流，促使PIN管良好導(dǎo)通，節(jié)約了體積。合理設(shè)計(jì)前2節(jié)限幅電路之間的移相網(wǎng)絡(luò),使前2節(jié)限幅電路良好匹配。為提高整個(gè)限幅電路隔離度，降低限幅器最終輸出功率，第3、第4節(jié)限幅電路采用了無(wú)源限幅形式。其電路原理如圖3、圖4所示。

圖3中，耦合電容C1、C3值可通過(guò)軟件仿真選取，以達(dá)到合適的耦合度。圖5、圖6為電容耦合支路的耦合度及駐波比仿真曲線。同樣，移相網(wǎng)絡(luò)中C4、C5、C6及L5、L6值也可通過(guò)軟件仿真選取，圖7、圖8為移相網(wǎng)絡(luò)的駐波比及相移仿真曲線。

建立PIN二極管熱仿真模型，對(duì)1 200 W功率注入時(shí)的二極管耗散功率進(jìn)行分析。第1節(jié)限幅電路單只PIN二級(jí)管上耗散功率約為2.5 W，第2節(jié)單只PIN二級(jí)管耗散功率約為1.5 W。同時(shí)由于PIN二級(jí)管在大功率注入瞬間將承受300 V以上的峰值電壓，因此，需選用高耐壓、低熱阻的PIN二極管。針對(duì)本限幅器電路，第1節(jié)D3～D5PIN二極管最終選用結(jié)電容0.3 pF、I層厚度90 μm、熱容157 μJ/℃、熱阻10 ℃/W的PIN管。在環(huán)境溫度70 ℃、脈寬3 ms、周期10 ms條件下其耗散功率經(jīng)過(guò)瞬態(tài)仿真結(jié)溫曲線如圖9所示，可看出該P(yáng)IN管最高結(jié)溫在88 ℃左右，可靠性能滿足工程實(shí)際使用要求[2-3]。

吸收式限幅器大功率負(fù)載的設(shè)計(jì)也非常重要，當(dāng)1 200 W信號(hào)功率注入時(shí)，絕大部分都會(huì)加載在負(fù)載上，對(duì)負(fù)載的耐功率、散熱提出了很高要求。本文選用BeO材質(zhì)作為熱沉，BeO具有高熱導(dǎo)率(熱導(dǎo)率280 W/ m·K)、價(jià)格便宜且與厚膜印刷工藝兼容性較好的特點(diǎn)，通過(guò)221 ℃的SnAg3.5焊料將BeO負(fù)載焊接到無(wú)氧銅墊板散熱。對(duì)負(fù)載建立熱仿真模型進(jìn)行模擬仿真，結(jié)溫曲線如圖10所示。從仿真結(jié)果看，當(dāng)環(huán)境溫度為70 ℃時(shí)，最高電阻膜溫小于140 ℃，滿足負(fù)載可靠性設(shè)計(jì)[4]。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)限幅器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。圖11、圖12分別為限幅器在小信號(hào)(-15 dBm) 輸入狀態(tài)下的插損、駐波比與頻率關(guān)系圖，在50 MHz～75 MHz頻率范圍內(nèi)插損小于0.3 dB，輸入輸出駐波比均小于1.3。圖13為限幅器在1 200 W輸入時(shí)輸出功率與頻率的關(guān)系圖，在50 MHz～75 MHz頻率范圍內(nèi)輸出功率小于15 dBm。圖14為限幅器在1 200 W輸入時(shí)恢復(fù)時(shí)間測(cè)試圖，由圖中曲線可知恢復(fù)時(shí)間為8 μs。圖15為限幅器產(chǎn)品外形圖，外形尺寸為44 mm×25 mm×12 mm，采用了激光封焊氣密封裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用一種新穎的雙半有源限幅電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款VHF頻段(50～75 MHz)、1 200 W輸入功率、3 ms脈寬、30%占空比的限幅器。該吸收式限幅器擯棄了傳統(tǒng)電路通常采用的3 dB電橋的平衡式形式，降低了插損，縮小了體積，解決了kW量級(jí)輸入功率的相移網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和大功率下PIN二極管的選取以及各種熱可靠性分析的技術(shù)難點(diǎn)，為后續(xù)更高功率限幅器系列化的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1] WHITE J F.微波半導(dǎo)體控制電路[M].王晦光，黎安堯譯.北京：科學(xué)出版社,1983.

[2] 高葆新，胡南山，洪興楠，李浩模，過(guò)常寧.微波集成電路[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 王子宇.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[4] LICARI J J，ENLOW L R.混合微電路技術(shù)手冊(cè)[M].朱瑞廉譯.北京：電子工業(yè)出版社,2004.

DesignofAVHFBand1 200WAbsorptionLimiter

ZHOU Quan,KONG Ling-jia

(The 13th Research institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on the reality of domestic and foreign limiting monolithic with kW level can not be achieved in very high frequency (VHF) band,this paper give a novel design for 1 200 W absorption limiter in VHF band by using hybrid integrated circuit technics,expatiates the working principle and circuit design of this limiter,adopts dual semi-active limiter circuits,integrates the four-stage limiter circuits through high power phase shift network.Test results show that the working frequency range of the limiter is 50 MHz～75 MHz,limiting power is 1 200 W (pulse width is 3 ms,duty cycle is 30%),the small signal insert loss is less than 0.3 dB,standing-wave ratio is less than 1.3,the limited output power is less than 15 dBm,the recovery time is less than 10 s.The limiter shape size is 44 mm×25 mm×12 mm.The technical specifications meet design requirements.

hybrid integrated circuit；limiter；high power phase shift network；dual semi-active limiter circuit

2017-09-06

TN61

A

CN32-1413(2017)06-0112-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.026