X波段小型化无源限幅器的研究

1、收/发技术X 波段小型化无源限幅器的研究3顾晓春(南京电子器件研究所,南京210016【摘要】采用微波混合集成电路设计方法,用并联P I N 二极管和检波二极管,在很小的腔体内制作了小型化无源微波限幅器。其电参数为:频率范围9GHz 10.5GHz;承受功率4W (连续波;泄漏功率5mW (P in =4W ,连续波;插入损耗2.0d B;驻波系数1.5;外形尺寸13.5mm ×6.2mm ×4.2mm;输入输出端:50绝缘子。【关键词】小型化;无源限幅器;低泄漏功率;P I N 二极管中图分类号:T N61文献标识码:AResearch on X 2band Pa ssi

2、 ve L i m iter w ith S ma ll S i zeG U Xiao 2chun(Nanjing Electr onic Devices I nstitute,Nanjing 210016,China 【Abstract 】The X 2band passive m icr owave li m iters have been designed and fabricated in a s mall size .Adop ting hybrid in 2tegrated circuits design,the li m iters have been fabricated wi

3、th t w o P I N di ode chi p s and a single detect or di ode chi p.It s technical characteristics :the frequency range (910.5GHz,survival power is 4W (C W ,the leakage P li m 1mW (input C W power:4W ,the inserti on l oss 2.0d B,VS WR 1.5,the package size is (13.5×6.2×4.2mm 3,the connect ors

4、 are 50p in .【Key words 】s mall size;passive m icr owave li m iters;l ow leakage power;P I N di ode0引言微波限幅器作为一种重要的微波控制器件被广泛应用于微波信号接收机等系统中,常用于防止系统运行过程中信号接收端的元件被大信号烧毁,以及减小扫频振荡器和相位检测系统中的幅度调制等。限幅器的设计,可以是有源限幅,也可以是无源限幅。若是有源限幅,则其设计与衰减器相似,其缺点是使用不方便,且增加功耗,这对于系统元件较多的大型电子系统(如雷达是很不利的。多年来,国内外的研究人员对功率容量较大、漏功率较大的限

5、幅器研究较多,对低漏功率限幅器的研究较少。本文的特点采用无源限幅电路,实现漏功率P li m 5mW (输入功率:连续波4W ,这是一种漏功率特别低的微波限幅器。1原理微波半导体二极管有三种现象可用于限幅:1整流,适用于低频,此类有整流二极管等。2电容随电压的变化,此类有变容二极管等。3射频电导调制现象。当P I N 二极管偏置于零伏且输入高功率的射频信号时,在P I N 二极管中会出现这种现象:微波大电流在射频信号的正半周内在P +、N +的边界注入,而当射频信号反向时,并不是所有的注入全部退回,而是部分流入I 区,几个周期后形成稳态分布之后,通过P I N 管的射频信号达到较高衰减(即限幅

6、作用,只允许一部分称之为“泄漏功率”的射频信号通过。利用P I N 二极管这一现象可制作微波限幅器,并且有利于制作较大耐功率的微波限幅器。利用P I N 限幅二极管的射频电导调制效应来实现对输入信号的衰减,即限幅器在输入高功率信号时,具有较高的信号衰减;在低的输入信号功率时,只有一个很小的插入损耗。在所用限幅二极管芯片上选用寄生参数小的台式结构芯片;在电路结构上,采用无源结构设计;在电路形式上,选取有利于充分发挥台式二极管的结构优势的并联形式。2设计研究的目标:工作频率9GHz 10.5GHz;承受功率4W (连续波;泄漏功率5mW (P in =4W ,连续波;插入损耗2.0dB;95第27

7、卷第8期2005年8月现代雷达Modern Radar Vol .27No .8August 20053收稿日期:2004212214修订日期:2005202223电压驻波比1.5;输入输出端绝缘子阻抗50。理论分析以单节限幅电路为基础,单节二极管并联时的等效电路图如图1所示。其中:C j 、R f 为P I N 限幅二极管的高阻、低阻状态时的等效元件;Z 0、L 分别是传输线的特性阻抗和二极管两端的等效电感,Z 0=50 。图1单节二极管并联等效电路图2.1电路设计电路设计如图2 。图2限幅器电路原理图其中:D 1、D 3为P I N 限幅二极管芯片;D 2为检波二极管芯片;C 1、C 2为

8、隔直流电容;L 1、L 2、L 3、L 4为引线串联电感。根据任务目标计算,限幅电路的衰减量要求大于26d B ,显然单节限幅是无法实现的。考虑到小型化的要求,扣除外壳的壁厚,电路尺寸必须限制在10mm ×4.2mm 的范围内,同时考虑到确保I L 2.0d B ,因此只能用两节限幅二极管来实现设计指标。考虑到连续波4W 的耐功率要求,兼顾低插入损耗的要求和低泄漏功率的要求,所以决定采用所谓渐变阵元的设计方法来设计,也就是说,选用的两级P I N 二极管的耐功率、限幅电平、阻抗应由高到低,这种设计思路增加了设计计算的难度,但是制作性能优越的的限幅器所必须。第三节检波二极管电路,利用检

9、波二极管的检波性能,是用来提高其前两节P I N 限幅二极管在微波大信号情况下的限幅深度,也就是降低了微波限幅二极管的阻抗,降低了泄漏功率,这种方法比传统意义上采用的高Q 值电感要优越的多,可以通过理论计算来进行验证。需要注意的是必须制作或选用性能优越的检波二极管,即:低势垒、良好的电压灵敏度、较低的结电容。2.2小信号状态根据图1a,在小信号状态下,微波限幅二极管处于高阻状态,此时限幅器相当于一个多节的LC 滤波器,由P I N 二极管芯片电容和金丝引线电感构成的低通滤波器。设计的任务就是确定此滤波器中各元件值,使滤波器在工作频带内能与主传输线匹配,并尽可能减小插入损耗。由于每一节微波二极管

10、不相同,因此必须分开进行计算。此滤波器的截止频率1为=2×(LC j -12(1根据此滤波器的网络参数得出,在忽略二极管阻抗R s 的情况下,若P I N 二极管的结电容满足下式1Z 0=(L /C j -12(2则P I N 二极管与引线电感在设计频率内能够与传输线实现良好的阻抗匹配。此滤波器的设计要求是:f c 2f 0,f 0为工作频带的中心频率点,具体地,可根据下列两式来确定L 和C j1。L =Z 0/f c (3C j =1/f c Z 0(4值得注意的是,电路的工作频率越接近c ,则此滤波器的影像衰减越大,也就是说,必须提高该低通滤波器的截止频率c ,当工作频率给定后,

11、可以按照c =来定滤波器的截止频率,这样不仅避免工作频率接近截止频率时影象衰减过大,且能得到较好的电压驻波比。2.3大信号状态在微波大信号状态下,电路中的微波限幅二极管处于导通或部分导通状态,并因此而获得限幅,限幅深度取决于微波大信号的大小和检波二极管的检波性能。计算时,可以根据微波大信号状态下检波二极管得到的检波输出,从而得到微波限幅二极管在此状态下的阻抗,并根据以下的计算得到微波大信号的衰减,也就是对微波大信号的限幅深度。根据微波二极管的正向电阻、反向电阻、引线电感L 可以得到二极管的正反向阻抗Z f 、Z r 。根据二极管的电参数Z f 、Z r ,可以得到Y f 、Y r 。Y f =

12、1/Z f =G f +j B f (5Y r =1/Z r =G r +j B r(6电路的插入损耗和隔离度分别如式(4、式(5所示2,式中r 0=1/Z 0,Z 0=50。06现代雷达27卷I L=10×lg1+G rr0+G r2r02+B r2r02(7ISO=10×lg1+G fr0+G f2r02+B f2r02(8电路的功率容量的计算依照下列公式进行3,式中Z=50,R f为二极管的正向电阻,P dm为二极管的最大允许功耗。限幅器的最大功率容量取决于二者中的最小值:正向状态时,P I N限幅二极管的最大承受功率为5P dm=P dm×(Z+2R f2

13、4Z0Rf(9反向状态时,P I N限幅二极管的最大承受功率为5Pam=V2B/2Z0(102.4微波限幅二极管和微波检波二极管的设计根据功率容量的要求,可计算得到微波二极管的最低电压的要求P a=V2B2Z0(11根据击穿电压可以得到I层厚度,击穿电压与I 层的关系为V=E B×W式中:W为I层厚度;EB为I层的最大击穿电场强度,E B=300k V/c m=30V/m。限幅器是在无源状态下工作的,因此计算限幅器电路的损耗是基于微波二极管0V下的结电容,但微波二极管0V下的结电容的计算比较困难,因为涉及到P+和N+区的载流子浓度缓变区域浓度的计算,当采用快速扩散工艺方法形成浓度分布

14、极陡的P N结时,可以假设在零偏时,二极管的耗尽层全部集中在P+区,这样就可以只计算I区耗尽时的结电容,二极管的总电容包括芯片钝化层的寄生电容,寄生电容的计算与结电容的计算相同。当P I N二极管I区耗尽时,在微波频率下,其结电容可表示为4C j=r24W(12式中:W为I层厚度;为P I N上电极直径;r为Si外延材料的相对介电常数,r=11.8。r f=R s+R j=R s+DI0(n+p(13式中:Rs为P+、N+的体电阻与上下电极欧姆接触电阻之和;Rj为层的体电阻;D为二极管P N结的结面积。3研究结果芯片的电参数如下:D1:VB R=100V,Cj00.20pF(VR=0V,Rf0

15、.80(100mA,t rr80ns,耐功率容量为连续波15W。D2:VB R=15V,Cj00.15pF(VR=0V,Rf1.2(100mA,功率容量为连续波1W。D3:肖特基二极管芯片R f30(20mA,V F260mV,Gj00 .1pF(0V,功率容量为连续波1W。C:隔直流电容的优选电容值为20pF,面积则为0.5mm×0.5mm介质电容。L:高Q值引线电感用30m的金丝制作。限幅器的电参数如表1所示。表1限幅器电参数工作频率f/GHz插入损耗I L/d B电压驻波比VS WR漏功率P li m/m W(输入Pc w=4W承受功率P c w/W910.52.01.514图

16、3输入功率与限幅电平的关系曲线(f=10.5GHz4结语设计了新颖的渐变检波限幅电路和独特的检波限幅电路,采用微波混合集成电路设计方法制作了小型化的无源微波限幅器,限幅器具有插入损耗小、漏功率特别小等突出优点,在大信号状态下,限幅深度最高达到36d B。(下转第78页16第8期顾晓春:X波段小型化无源限幅器的研究表1电源模块并联数据总电流电流1(A电流2(A电流3(A电流4(A误差%3.3分布式电源系统的优点根据理论分析和试验结果综合分布式电源系统比较适合大功率的应用场合,其结构设计合理,有利于工程化的应用,其优点如下:1减少全系统的地电位差和电源电位差传输的直流分量会在电阻上形成电压降,其交

17、流分量会在电感上形成感应电势,从而形成全系统的地电位差和电源电位差。当大电流通过时,所造成的电压降是不可忽略的,并可造成信号电平降低,系统的规模越大,所造成的问题就越严重。分布式供电方案直流供电母线与直流工作地在物理上是分开的,而大电流部分已经分散到各T/R组件相邻处,分布式直流工作地与传输能量无关。2减少输电损耗和低电压、大电流的传输相比较,48V供电方案可以把传输电流降低一个数量级,从而减小输电损耗。3简化结构设计一次电源由标准模块构成机箱,机柜结构变得简化而规整,方便结构设计。4简化插件板电源进线DC/DC电源单线入,并对插件接触电阻引起的电压降无特殊要求,而DC/DC模块安装在T/R组

18、件旁。5分散热负荷大批热量在一次电源机箱内处理,有利于通风散热,减轻阵面发热量。6提高可靠性天线阵上的DC/DC模块为低压模块,电流电压应力都小,采用微组装技术,可靠性指标很高。4结语机载火控相控阵采用相控阵体制是新一代火控雷达发展的必然趋势,雷达对其供电系统提出了很高的要求,为提高可靠性采用分布式电源系统,可满足机载火控相控阵雷达对电源功率密度、变换效率、体积、重量等性能的要求,同时要具有冗余功能,能快速切换,以保证系统可靠性,特别是工程设计中注意选择低温特性良好的关键器件,可使电源在恶劣的振动和环境温度条件下工作,具有很强的工程应用前景。参考文献1阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术.科学出版社,19994I onel Dan J itarn.A3k W s oft s witching DC2DC converter.APEC2000.15,2000何亮男,1969年生,1990年毕业于湖南大学电气工程系,高级工程师。主要从事机载雷达电