新型高功率有源限幅器

電子科技集團第十研究所 徐 凌

英飛睿(成都)微系統(tǒng)技術(shù)有限公司 杜倚誠

限幅放大器（簡稱限放）是雷達前端的重要部件，由限幅器和和放大器構(gòu)成。當(dāng)輸入功率過高時，限幅器插損會迅速增大，使泄露到放大器的功率始終維持在較低的狀態(tài)，從而保護放大器免于燒毀。限幅器的功率容量從數(shù)百毫瓦至數(shù)千瓦不等，漏功率一般在15dBm以下。大功率限幅器一般采用PIN二極管實現(xiàn)，又可以分為無源式限幅器和有源式限幅器，無源式限幅器直接利用二極管的微波限幅特性進行限幅，漏功率大，發(fā)熱大，功率容量低，有源式限幅器利用輸入功率耦合檢波輸出的直流電流將二極管導(dǎo)通，可以明顯降低二極管導(dǎo)通電阻，減少漏功率，提高功率容量，是大功率限幅器（100W以上）的最常見形式。

本文提出了一種新的有源限幅器電路，明顯降低了小功率下限幅器的限幅門限，而同時提高了滿功率下的檢波輸出電流，提高了限幅器的功率容量。且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，有非常良好的實用價值。本結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于一款P波段高功率限幅放大器產(chǎn)品，產(chǎn)品性能位于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

PIN二極管是一種常見的微波控制元件，其在傳統(tǒng)的PN結(jié)之間加入了一層本征層I層，從而明顯降低了反向截止電容和反向漏電流，并克服了少子導(dǎo)電造成的反向恢復(fù)電流，使開關(guān)時間也明顯降低。在射頻波段，PIN二極管呈現(xiàn)線性電阻的特性，其阻值與導(dǎo)通電流呈反比。

PIN二極管限幅器是將二極管并聯(lián)于帶線上，當(dāng)射頻功率經(jīng)過時，會產(chǎn)生一個微弱的整流電流，從而使二極管導(dǎo)通，此時二極管的導(dǎo)通電阻會吸收一部分射頻功率，同時反射一部分射頻功率，使漏功率降低，射頻輸入功率越大，整流電流越大，二極管電阻越低，反射的功率越多，其限幅特性如圖1所示。對無源限幅器，功率每提高10dB，漏功率提高3dB。

圖1 微波限幅器的限幅曲線

在微波頻率，PIN二極管的整流效應(yīng)是很弱的，尤其是I層較厚的大功率限幅管，為了進一步降低導(dǎo)通電阻，降低漏功率和二極管發(fā)熱，常常加入一耦合檢波電路構(gòu)成有源限幅器，如圖2所示。耦合電路耦合一部分射頻功率檢波輸出直流提供給二極管，從而明顯降低了二極管的導(dǎo)通電阻。加入耦合檢波后的限幅器限幅特性如圖3所示。

圖2 耦合檢波限幅器示意圖

圖3 有源限幅器的限幅曲線

傳統(tǒng)的耦合檢波電路有以下缺點。當(dāng)輸入功率增大時，耦合電壓也隨著增大，由于二極管的導(dǎo)通曲線是指數(shù)特性的，二極管電流會迅速增加，很容易燒毀檢波二極管，為了使額定功率下的檢波電路正常工作，耦合度不能取的太高，而降低耦合度，又會使限幅器的起限電平提高，如圖4所示。例如某額定功率2000W限幅器，第一級限幅器采用耦合檢波有源限幅器，起限功率就在200W以上，此時檢波器不工作，PIN管相當(dāng)于進行無源限幅，發(fā)熱急劇增大，很容易燒毀限幅管。

圖4 一般檢波器的正常工作范圍

為了解決這個問題，常在檢波管之前加入限幅管，限制輸入檢波管的功率，這樣即使采用較高的耦合度，也不會燒毀檢波管，如圖5所示。這種方案的難點在于附加限幅管的選型，不同I層厚度的限幅管限幅電平差異很大，并且相同限幅管在不同頻率下的限幅電平也差異很大，限幅管選小了，檢波電流不夠，限幅器燒毀，限幅管選大了，漏功率太大，檢波管燒毀，往往需要大量的實驗才能選取合適的限幅管。此外，即使有限幅管，耦合器的耦合度仍然不能取太高，否則同樣會燒毀檢波管，也會影響限幅器的小信號損耗，對2000W限幅器，第一級起限電平也往往在幾十瓦以上。

圖5 加入附加限幅管后的耦合器電路

針對這一問題，本文提出了一新的耦合檢波結(jié)構(gòu)，如圖6所示，耦合器仍采用微帶耦合器，對大功率限幅器，耦合度一般很低（-30dB以下），因而耦合線很短，可以認為輸出阻抗很低，電感L和檢波管的寄生電容構(gòu)成諧振電路，諧振于工作頻率處。兩個二極管構(gòu)成了全波整流電路。

圖6 新型檢波結(jié)構(gòu)電原理圖

首先分析小信號狀態(tài)，此時檢波二極管不導(dǎo)通，等效電阻很大，二極管兩端電壓如公式1所示。其中，k為耦合器耦合系數(shù)的絕對值，Pi為輸入功率，z0為系統(tǒng)特征阻抗，一般為50Ω，L為電感感值，cd為二極管結(jié)電容。可見，當(dāng)頻率在諧振頻率附近時，分子趨于0，電壓會明顯提高。諧振電路相當(dāng)于一電壓倍增器，極大的提高了耦合器的輸出電壓，使耦合電路的等效耦合度成倍提高，非常明顯的降低了限幅器的起限電平。

大信號時，檢波二極管導(dǎo)通，等效電阻很小，相當(dāng)于短路，檢波器輸出直流電流如公式2所示?？梢?，此時電感l(wèi)限制了二極管的導(dǎo)通電流，檢波器的輸出正比于輸入射頻功率，此外，由于實際電路中，為了節(jié)約版面，微帶耦合線的長度遠小于四分之一波長，其耦合度k與頻率呈正比，l的感抗與頻率呈反比，兩者抵消，耦合電路的電流隨頻率是不變的。此時，檢波電流隨輸入功率增加線性增加，而PIN限幅管的導(dǎo)通電阻與電流呈反比，因此限幅器隨輸出功率的增加，漏功率不變。

可見，電感L在小功率時，起到了電壓諧振器的作用，可以提高輸出電流，而大功率時，又起到了限流器的作用，可以限制輸出電流，防止二極管燒毀。本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比如圖7所示，本電路可以在很寬的功率范圍內(nèi)提供相對穩(wěn)定的輸出電流。

圖7 新型檢波結(jié)構(gòu)輸出曲線

采用ADS對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和本結(jié)構(gòu)進行仿真，頻率430MHz，二極管選用安森美公司MBD770DWT1，仿真結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖8 仿真結(jié)果

采用本結(jié)構(gòu)進行一實際限幅放大器設(shè)計，頻率，功率6000W，脈寬2ms，占空比8%，采用平衡式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，每路限幅功率3000W。圖9為原理圖，檢波管采用選用安森美公司MBD770DWT1，限幅管采用MACOM公司的MA4P607。電路進行了滿功率測試，完全滿足設(shè)計要求，測試結(jié)果如表1所示。相關(guān)指標(biāo)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖9 原理圖

表1 限幅放大器組件測試結(jié)果

本文介紹了一種新型有源限幅器結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，明顯提高了限幅器耐功率，降低了起限電平，提高了限幅器的綜合性能。設(shè)計了相關(guān)產(chǎn)品，并進行了加工測試，綜合性能達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。但電路仍有改進的余地，由于采用了諧振單元，帶寬受到限制，未來可以采用二階諧振單元提高帶寬。