2～4 GHz寬帶高增益小型化限幅低噪聲放大器

2018-05-04 04:38:55鄧世雄中國電子科技集團公司第十三研究所河北石家莊050051

艦船電子對抗 2018年1期

周全，鄧世雄(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

0 引言

限幅低噪聲放大器作為T/R組件中的重要組成部分，被大量應用于車載、機載、艦載雷達。隨著雷達向著高效率、高輸出功率以及質量輕、體積小、集成化的方向發展，要求T/R組件中限幅器承受功率越來越高，同時對具有多功能的小體積管殼封裝類限幅低噪聲放大器的需求越來越迫切[1]。2015年Qorvo公司推出了工作頻率2～4 GHz、限幅功率200 W 的TGL2927-SM型限幅器單片(脈寬500 μs，占空比15%)，但對于更高限幅功率、更大占空比的限幅器單片，國內外未見報道。

目前，由于采用單片電路工藝很難實現對高功率限幅器和低噪聲放大器的一體化集成，采用微波薄膜混合集成電路工藝設計的小型化管殼封裝類限幅低噪聲放大器凸顯出巨大優勢，具有廣闊的應用市場。本文設計的限幅低噪聲放大器具有小體積、多功能、高功率限幅、寬帶、高集成度的特點，應用于有源相控陣雷達T/R組件的接收前端。

1 電路設計

設計制作的限幅低噪聲放大器具有的功能如圖1所示。當開關控制信號TTL為“0”時實現通道1→2傳輸功能；當開關控制信號TTL為“1”時，實現通路2→3傳輸功能。

圖1 產品功能框圖

限幅低噪聲放大器主要由3 dB電橋、限幅器、低噪放、開關、TTL轉換等子電路組成。其中3 dB電橋采用Lange形式，限幅器采用半有源式耦合檢波PIN限幅電路，開關采用GaAs單刀雙擲(SPDT)單片與TTL轉換電路相結合。電路原理框圖見圖2。

圖2 限幅低噪聲放大器電路原理框圖

整個電路的關鍵點是限幅電路及PIN限幅管芯的選取，低噪聲放大器的寬帶、高增益與小體積設計。

1.1 限幅器電路設計

無源限幅器受其工作原理影響，PIN二極管導通情況通常不良好，高功率時極易燒毀，需要引入有源偏置來促進PIN二極管導通，增強其承受功率能力。圖3是半有源式限幅器，通過后級的肖特基檢波二極管整流出直流電流，促進PIN二極管的良好導通。

圖3 半有源式限幅電路

圖3是一個半有源式限幅器，通過后級的肖特基檢波管整流出直流，加快PIN管導通。此類電路在輸入信號功率很大時，檢波管容易被前級PIN管的尖峰泄漏功率燒毀，需要通過級聯不同I層厚度的多個PIN二極管來降低尖峰泄漏功率，導致到達檢波二極管處的功率較小，整流出的直流有限，同時限幅電路插損較大。

本文采用的限幅器電路通過增加耦合支路，利用耦合器將檢波二極管引入到電路的輸入端以獲取足夠大的射頻信號，確保檢波二極管能夠整流出足夠的直流，促使PIN管更好地導通。其原理如圖4所示。

圖4 帶有耦合檢波的限幅電路原理圖

限幅電路中，PIN二極管的選取至關重要。影響前級PIN限幅二極管的溫度特性主要有3個因素：耗散功率、管芯熱阻、管芯熱容。經計算，每一支路限幅器需承受130 W左右的輸入功率，前級PIN管的耗散功率約為13 W。結合幾輪實驗驗證，最終選用結電容為0.15 pF、I層厚度7 μm、熱容2.28 μJ/℃、熱阻40 ℃/W的PIN二極管。利用軟件瞬態仿真，在環境溫度80 ℃、脈寬1 ms、周期3.3 ms條件下，前級PIN管的結溫曲線如圖5(圖中縱坐標電壓等同于溫度)所示，可得出前級PIN管芯平均結溫在118 ℃左右，可靠性指標滿足工程使用要求。

圖5 前級PIN二極管管芯結溫仿真圖

1.2 寬帶低噪聲放大器電路設計

低噪聲放大器部分采用三級放大電路級聯以達到近40 dB增益，放大管芯選用PHEMT場效應晶體管管芯。第一級放大電路通過犧牲部分駐波比指標達到最佳噪聲匹配，第二、三級通過引入適當負反饋，既展寬頻帶又對穩定性有很大提高。為適應小體積管殼封裝要求，電源采用了單電源自給偏壓形式。低噪聲放大器電路拓撲圖如圖6所示。

圖6 三級放大電路結構拓撲圖

低噪聲放大器電路增益、駐波、噪聲系數經軟件仿真，結果見圖7、圖8、圖9。

圖7 低噪聲放大器電路增益仿真結果

圖8 低噪聲放大器電路駐波比仿真結果

圖9 低噪聲放大器電路噪聲系數仿真結果

2 結構設計

2.1 管殼結構設計

考慮到管殼底座及吸收負載的散熱，經過軟件仿真及多次實驗驗證，結合產品氣密性要求，最終管殼底座選用鎢銅材質(W85Cu15)，其熱導率170 W/(m·K)，熱膨脹系數7×10-6/℃，各功能管腿采用玻璃絕緣子，墻體采用可伐材料(4J29)，蓋板采用可伐材料(4J42)，平行封焊工藝。管殼外形結構見圖10。

圖10 限幅低噪聲放大器管殼外形圖

產品在限幅耐功率測試中曾發生“放電打火”現象，通過仿真分析，此現象是由于電場強度超過了空氣擊穿場強，將空氣擊穿造成的。最終通過調整管殼絕緣子同時改進測試夾具結構解決了“放電打火”現象。圖11為仿真結果。

圖11 高功率電場強度仿真

2.2 吸收負載設計

限幅器吸收負載選取金剛石作為熱沉(熱導率1 200 W/(m·K)，熱膨脹系數1×10-6/℃)，負載電阻采取薄膜光刻工藝制作氮化鉭(TaN)電阻，在350 ℃ 氫氣環境中退火30 min。考慮到吸收負載采用AuSn焊料燒結，利用薄膜光刻工藝在金剛石熱沉背面制作了TiW/Ni/Au 3層結構。圖12為負載電阻仿真模型圖。

圖12 大功率負載電阻仿真

2.3 版圖結構設計

由于產品內腔體積 (22.0 mm×10 mm×4.0 mm)有限，限幅低噪聲放大器由4種子電路組成，元器件多達50余個，集成度很高，尤其電路的凈增益高達38 dB，如果各個子電路的版圖設計、布局不合理，極易引起放大器自激。在各子電路版圖設計時盡量避免各級電路管芯間相互影響，減少各傳輸帶線間的耦合，減少帶線折彎、跳變等不連續性，鍵合引線不能交叉、相互間不能太近。無論直流偏置還是微波部分均預留可調節的穩定性匹配措施[2-7]。

3 測試結果及分析

對限幅低噪聲放大器的各項性能指標進行了全面測試。圖13為限幅低噪聲放大器在小信號(Pin=-40 dBm)狀態下增益與頻率關系圖，在2～4 GHz工作頻率內，增益達到38 dB,增益平坦度達到0.4 dB。圖14為限幅低噪聲放大器在小信號(Pin=-40 dBm)狀態下輸入輸出駐波比與頻率的關系圖，在2～4 GHz工作頻率內，駐波比小于1.4。圖15為限幅低噪聲放大器小信號(Pin=-40 dBm)狀態下噪聲系數與頻率關系圖，在2～4 GHz工作頻率內，噪聲系數小于1.4 dB。圖16為限幅低噪聲放大器在輸入功率250 W(脈寬1 ms，30%占空比)的恢復時間圖，由圖中曲線可知恢復時間為0.9 μs。