2～4 GHz寬帶高增益小型化限幅低噪聲放大器

周 全，鄧世雄(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(yīng)用于車載、機(jī)載、艦載雷達(dá)。隨著雷達(dá)向著高效率、高輸出功率以及質(zhì)量輕、體積小、集成化的方向發(fā)展，要求T/R組件中限幅器承受功率越來越高，同時(shí)對(duì)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(duì)于更高限幅功率、更大占空比的限幅器單片，國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。

目前，由于采用單片電路工藝很難實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)的小型化管殼封裝類限幅低噪聲放大器凸顯出巨大優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)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(diǎn)，應(yīng)用于有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的接收前端。

1 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作的限幅低噪聲放大器具有的功能如圖1所示。當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)TTL為“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)通道1→2傳輸功能；當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)TTL為“1”時(shí)，實(shí)現(xiàn)通路2→3傳輸功能。

圖1 產(chǎn)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(guān)、TTL轉(zhuǎn)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(guān)采用GaAs單刀雙擲(SPDT)單片與TTL轉(zhuǎn)換電路相結(jié)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(gè)電路的關(guān)鍵點(diǎn)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(shè)計(jì)。

1.1 限幅器電路設(shè)計(jì)

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

圖3 半有源式限幅電路

圖3是一個(gè)半有源式限幅器，通過后級(jí)的肖特基檢波管整流出直流，加快PIN管導(dǎo)通。此類電路在輸入信號(hào)功率很大時(shí)，檢波管容易被前級(jí)PIN管的尖峰泄漏功率燒毀，需要通過級(jí)聯(lián)不同I層厚度的多個(gè)PIN二極管來降低尖峰泄漏功率，導(dǎo)致到達(dá)檢波二極管處的功率較小，整流出的直流有限，同時(shí)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(hào)，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(dǎo)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(guān)重要。影響前級(jí)PIN限幅二極管的溫度特性主要有3個(gè)因素：耗散功率、管芯熱阻、管芯熱容。經(jīng)計(jì)算，每一支路限幅器需承受130 W左右的輸入功率，前級(jí)PIN管的耗散功率約為13 W。結(jié)合幾輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終選用結(jié)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(tài)仿真，在環(huán)境溫度80 ℃、脈寬1 ms、周期3.3 ms條件下，前級(jí)PIN管的結(jié)溫曲線如圖5(圖中縱坐標(biāo)電壓等同于溫度)所示，可得出前級(jí)PIN管芯平均結(jié)溫在118 ℃左右，可靠性指標(biāo)滿足工程使用要求。

圖5 前級(jí)PIN二極管管芯結(jié)溫仿真圖

1.2 寬帶低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大器部分采用三級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)以達(dá)到近40 dB增益，放大管芯選用PHEMT場(chǎng)效應(yīng)晶體管管芯。第一級(jí)放大電路通過犧牲部分駐波比指標(biāo)達(dá)到最佳噪聲匹配，第二、三級(jí)通過引入適當(dāng)負(fù)反饋，既展寬頻帶又對(duì)穩(wěn)定性有很大提高。為適應(yīng)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?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 三級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

低噪聲放大器電路增益、駐波、噪聲系數(shù)經(jīng)軟件仿真，結(jié)果見圖7、圖8、圖9。

圖7 低噪聲放大器電路增益仿真結(jié)果

圖8 低噪聲放大器電路駐波比仿真結(jié)果

圖9 低噪聲放大器電路噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到管殼底座及吸收負(fù)載的散熱，經(jīng)過軟件仿真及多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合產(chǎn)品氣密性要求，最終管殼底座選用鎢銅材質(zhì)(W85Cu15)，其熱導(dǎo)率170 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 限幅低噪聲放大器管殼外形圖

產(chǎn)品在限幅耐功率測(cè)試中曾發(fā)生“放電打火”現(xiàn)象，通過仿真分析，此現(xiàn)象是由于電場(chǎng)強(qiáng)度超過了空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，將空氣擊穿造成的。最終通過調(diào)整管殼絕緣子同時(shí)改進(jìn)測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)解決了“放電打火”現(xiàn)象。圖11為仿真結(jié)果。

圖11 高功率電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

2.2 吸收負(fù)載設(shè)計(jì)

限幅器吸收負(fù)載選取金剛石作為熱沉(熱導(dǎo)率1 200 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)1×10-6/℃)，負(fù)載電阻采取薄膜光刻工藝制作氮化鉭(TaN)電阻，在350 ℃ 氫氣環(huán)境中退火30 min?？紤]到吸收負(fù)載采用AuSn焊料燒結(jié)，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(jié)構(gòu)。圖12為負(fù)載電阻仿真模型圖。

圖12 大功率負(fù)載電阻仿真

2.3 版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品內(nèi)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(dá)50余個(gè)，集成度很高，尤其電路的凈增益高達(dá)38 dB，如果各個(gè)子電路的版圖設(shè)計(jì)、布局不合理，極易引起放大器自激。在各子電路版圖設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免各級(jí)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(xù)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(yù)留可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性匹配措施[2-7]。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)限幅低噪聲放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試。圖13為限幅低噪聲放大器在小信號(hào)(Pin=-40 dBm)狀態(tài)下增益與頻率關(guān)系圖，在2～4 GHz工作頻率內(nèi)，增益達(dá)到38 dB,增益平坦度達(dá)到0.4 dB。圖14為限幅低噪聲放大器在小信號(hào)(Pin=-40 dBm)狀態(tài)下輸入輸出駐波比與頻率的關(guān)系圖，在2～4 GHz工作頻率內(nèi)，駐波比小于1.4。圖15為限幅低噪聲放大器小信號(hào)(Pin=-40 dBm)狀態(tài)下噪聲系數(shù)與頻率關(guān)系圖，在2～4 GHz工作頻率內(nèi)，噪聲系數(shù)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(fù)時(shí)間圖，由圖中曲線可知恢復(fù)時(shí)間為0.9 μs。

圖13 限幅低噪聲放大器小信號(hào)增益

圖14 限幅低噪聲放大器駐波比

圖15 限幅低噪聲放大器噪聲系數(shù)

圖16 限幅低噪聲放大器恢復(fù)時(shí)間

4 結(jié)束語

本文基于微波薄膜混合集成電路工藝和多芯片微組裝模塊(MCM)集成技術(shù)設(shè)計(jì)制作了2～4 GHz寬帶、高增益、小型化限幅低噪聲放大器。測(cè)試結(jié)果表明電路的設(shè)計(jì)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了

電路形式的選取和設(shè)計(jì)方法的正確性，同時(shí)該限幅低噪聲放大器具有寬帶、多功能、小體積、使用方便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)T/R組件的接收前端。

[1] BAHL I，BHARTIA P.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M].鄭新，趙玉潔，劉永寧，潘厚忠，等譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 雷振亞，明正峰，李磊，謝擁軍.微波工程導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

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

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

[5] LICARI J，ENLOW L.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.

[6] 胡明春，周志鵬，高鐵.雷達(dá)微波新技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013．

[7] 莊奕琪.電子設(shè)計(jì)可靠性工程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2014．