8GHz～18GHz限幅開關放大器組件

張小紅，錢志宇，江浚清

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著雷達、導航、電子對抗、微波通訊、宇宙通訊、電視、遙測遙控的發展，要求微波接受系統向大動態（即輸入信號功率大范圍變化時，輸出信號能保持在一定范圍內）發展。限幅開關放大器組件主要基于這種需要而設計。

2 原理簡介和設計

2.1 原理簡介

設計該組件由限幅器、單刀雙擲開關、放大器等構成，在接收大信號時通過控制信號來控制射頻開關，使信號直通通過；接收小信號時通過控制信號來控制射頻開關，使信號通過放大器放大輸出，從而使輸入信號功率在大范圍變化時輸出信號保持在一定范圍內，起到擴展動態范圍的作用。

2.2 電路設計

2.2.1 限幅器的設計

設計限幅器的作用是使組件在有超出后續電路承受的大功率信號輸入時，衰減輸入信號，保護后續電路在大功率信號下不被損壞。設計本組件時，設有一較大的最大輸入功率，同時考慮到后級放大芯片亦有其承受功率，為保證組件可靠性，放大器芯片的承受功率減半設計，而該限幅器設計采用兩級并聯式限幅，第一級限幅管選用能承受其最大輸入功率的PIN二極管，第二級限幅管選用限幅電平為放大芯片最大輸入功率的PIN二極管。電原理簡圖如圖1。

圖1 限幅電原理簡圖

圖中D1、D2是PIN限幅管，D1與D2之間的距離是中心頻率的四分之一波長，C1、C2為隔直電容，L為泄流回路的電感。其限幅原理有關文獻已有詳述，這里不再贅述。

2.2.2 單刀雙擲開關的設計

設計此開關的作用是對組件的直通和放大兩支路進行切換。設計組件的放大器增益＞20dB，為使直通和放大兩支路不互相干擾，設計開關的隔離應＞40dB。由于設計放大器的前后各有一級開關，而總開關隔離＞40dB，因此設計每級開關的隔離應＞20dB。為能在寬頻帶下實現此要求，分析決定采用PIN二極管串并聯結構。電原理簡圖如圖2。

圖2 開關電原理簡圖

圖中，D1、D2、D3、D4為PIN開關二極管，C1、C2、C3、C5、C6為隔直電容，L1、L2、L3為直流通路的電感。原理可參考有關文獻。

2.2.3 放大器的設計

設計放大器的作用是對輸入小信號進行放大。設計要求組件的增益大于20dB，由于限幅器和二級開關引入了大約6dB的插損，放大器的增益設計值應大于26dB。

設計要求放大器頻帶較寬，增益較高，為了使設計出的組件有較高的一致性和可靠性，分析決定放大器采用放大芯片級聯的方式實現。

2.2.4 組件整體的設計

設計該組件采用兩個腔體結構，正面腔體用于放置微波電路，反面腔體用于放置開關驅動器和放大器偏置電路。

由于該組件的設計頻率較高，頻帶較寬，為了取得良好的高頻特性，減少介質損耗，設計采用DURIOD5880介質基片；為了減小分布電容和電感，同時提高設計出的組件的可靠性，設計該組件采用微組裝工藝，將多功能芯片二次集成，以實現限幅、開關、放大器多功能組件。

設計組件中開關的偏置回路由射頻扼流圈和射頻旁路電容構成，設計組件中寬帶放大單片的偏置由穩壓塊直接提供。另外，設計使用TTL信號直接控制開關的直通和放大兩支路的通和斷，故設計開關中內置了TTL集成驅動電路。

3 主要研究、實驗工作

3.1 寬帶高增益的問題

本設計組件的頻帶特別寬，而組件各部分在頻帶高端的插損無論理論還是實際結果都較大，因此，保證該組件的放大器增益在頻帶內比較平坦是本課題的設計難點。

在限幅器和開關的電路設計上，將頻帶的中心頻率向頻帶的高端適當偏移，犧牲一部分頻帶低端的特性，將頻帶高低端的電特性兼顧考慮，從而使輸入放大器的信號在頻帶高低端插損比較一致。而在實際選用放大芯片時，選用寬帶內增益較平坦的芯片。

3.2 駐波的問題

該設計組件的限幅器、開關及放大器通過50Ω微帶線連接，連接中不可避免會引起駐波變大的問題，為了保證組件的總體指標，在多功能電路間的連接處設計了過渡匹配電路。

3.3 電路網絡拓撲的綜合分析

該設計組件是一個復雜的二端口網絡，各種元器件的實際安裝中不可避免地會引入電場不連續性，稍有不慎就會在局部或全部頻段內使電性能惡化。在實現設計目標時，必須利用計算機進行優化設計，給出電路拓撲，經過設計優化、實驗、分析、再設計修正。

4 研制結果

按照此方法設計的限幅開關放大器組件在8GHz～18GHz的寬頻帶內增益可達到大于20dB，開關速度小于100ns；而微波PIN二極管管芯及寬帶放大芯片等經微組裝工藝二次集成實現，使設計的產品性能優良、可靠性高。

5 結束語

文章提出一種設計8GHz～18GHz限幅開關放大器組件的方法，此方法設計出的組件體積小、性能優良、可靠性高，主要用于接收設備的前端，擴展輸入信號的動態范圍。今后可將本設計的組件和一些定型產品連接，擴展它們輸入信號的動態范圍。

[1] 《中國集成電路大全》編委會，編.微波集成電路[M].北京：國防工業出版社，1995.

[2] 美國General微波公司.1999年產品手冊[R].

[3] 美國Hittite微波公司.1999年產品手冊[R].

[4] Shamsur R Mazumder, Raymond C Waterman. A novel 6 to 18 GHz 180-degree bit shifter configuration having very small amplitude and phase errors[A]. IEEE-MTT-S Digest, 1994.