一種基于同軸結(jié)構(gòu)的微波限幅器設(shè)計方法

李豐，鄧世雄，白銳，王喬楠

（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

限幅器是微波毫米波系統(tǒng)中的一種重要的功率控制器件，廣泛應用在接收系統(tǒng)前端，起到保護后級電路，防止系統(tǒng)損壞的關(guān)鍵作用。小型化、高集成、低損耗、耐功率高、易安裝是微波限幅器重要的發(fā)展方向。

微波限幅器的實現(xiàn)形式包括波導、同軸線、微帶線、MMIC 等。根據(jù)核心器件的不同，限幅器包括氣體放電管限幅器、鐵氧體限幅器、體效應限幅器和固態(tài)器件限幅器。而固態(tài)器件限幅器采用PIN 二極管和混合集成電路形式，具有高性能、高可靠、高集成、小型化等諸多優(yōu)點，是微波毫米波系統(tǒng)中的主要限幅器應用形式。

本文提出一種采用同軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的固態(tài)器件限幅器設(shè)計方法。將限幅器封裝加工成螺紋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)氣密后，再裝配到金屬同軸結(jié)構(gòu)中。使限幅器不僅具有較好的耐功率指標，還解決了同軸限幅器氣密性要求，同時便于安裝和使用，極大提高了微波限幅器的應用條件。測試結(jié)果表明，300 MHz ～2 000 MHz 頻率內(nèi)，限幅器損耗小于1 dB，駐波小于1.5；可承受峰值超過1 000 W 的功率，泄漏功率小于16 dBm，產(chǎn)品尺寸34 mm×Φ9 mm。該設(shè)計方案實現(xiàn)了限幅器的氣密性同軸封裝結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)良，可靠性高，提升了限幅器的應用范圍。

1 限幅電路設(shè)計

限幅器要求承受的輸入信號為峰值功率1 000 W、脈寬100 μs、占空比0.1%大功率信號?；谛阅芤?，限幅器設(shè)計基于PIN 二極管形式設(shè)計。限幅器按PIN 二極管導通原理可分為無源限幅器、半有源限幅器及有源限幅器三種。有源限幅器需要外加同步信號控制PIN 二極管的通斷，使用范圍有限。無源限幅器利用PIN 二極管的射頻調(diào)制效應實現(xiàn)PIN 二極管導通，其結(jié)構(gòu)簡單，但是受限于PIN 二極管I 區(qū)載流子速度，限幅器的工作頻率和PIN 二極管的I 層厚度成反比，只能應用于中小功率及低頻限幅。半有源限幅器在無源限幅器基礎(chǔ)上，通過耦合一定射頻功率，利用肖特基管檢波使PIN 二極管導通，可拓展I 層較厚的大功率PIN 二極管工作頻率。

本文采用半有源式限幅電路形式，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。通過獲取一定量的信號功率，使檢波二極管產(chǎn)生一定的直流信號，反饋到PIN 二極管上，使其充分地導通，從而增加限幅能力。

為降低泄露功率，采用多級限幅二極管才可使限幅電路的泄露功率較低。本設(shè)計采用兩級限幅結(jié)構(gòu)，前級選用I 層較厚的四個大功率PIN 二極管芯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以承受輸入大功率；第二級使用無源限幅結(jié)構(gòu)，采用GaAs 芯片制作的PIN對管結(jié)構(gòu)，降低輸出功率。限幅器電路原理圖如圖1所示。

圖1 限幅電路原理圖

第一級采用Skyworks 公司的PIN 限幅二極管CLA4607，其為Si 基管芯，I 層厚度7 μm，輸入P-1 可達到20 dBm@1 GHz，正向?qū)娮鑂s 為2 Ω@10 mA。第二級采用自主研發(fā)的PIN 限幅器芯片BWN287，其為GaAs 基芯片，I 層厚度1.2 μm，輸入P-1 可達到11 dBm@1 GHz，正向?qū)娮鑂s 為3 Ω@10 mA，耐功率大于5 W（連續(xù)波），漏功率小于16 dBm。

當信號由輸入端進入耦合器后，耦合信號進入檢波二極管，通過RC 積分電路得到一定的直流分量，通過扼流電感加載到PIN 二極管上，加速二極管導通，提高整體耐功率能力。GaAs 限幅芯片采用GaAs PIN 對管，PIN 和NIP 兩種二極管做在一個GaAs 芯片上，開啟電壓1.2 V，鉗位電壓2.2 V，可以保證整體限幅電路泄漏功率＜16 dBm。電路中隔直電容為1 nF，扼流電感為330 nH，滿足工作頻率300 MHz 起始要求，RC 積分電路中電阻電容分別為1 kΩ 和100 pF，在保證電路匹配的前提下，將積分時間常數(shù)降低，縮短恢復時間。經(jīng)過仿真設(shè)計，限幅器損耗小于1 dB，駐波小于1.5，泄漏功率小于16 dBm，滿足設(shè)計要求。

2 限幅器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 限幅器氣密封裝設(shè)計

限幅器氣密封裝采用鋁合金材料，其重量輕，導熱性好，外形如圖2所示。封裝的輸入輸出端采用射頻絕緣子形式，利用焊接技術(shù)固定并實現(xiàn)密封。限幅器電路裝配到封裝內(nèi)部后，封裝蓋板采用激光封裝保證限幅器封裝的氣密性。限幅器封裝的輸入前端，外形加工成螺紋形狀，其尺寸與同軸封裝內(nèi)部螺紋相配合，可緊密旋入并接觸良好。限幅器氣密封裝尺寸為11 mm×7 mm×4.5 mm，封裝上下面采用平面結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)氣密封焊，便于裝配，同時裝入同軸封裝內(nèi)部時作為旋轉(zhuǎn)助力面使用。

圖2 氣密封裝外形示意圖

限幅電路基板采用氮化鋁薄膜基板，其線條精度高，散熱性好。限幅電路采用混合集成電路工藝進行實現(xiàn)，功率較高PIN 二極管芯和GaAs 芯片都采用金錫燒結(jié)至電路基板，氮化鋁基板利用導電膠粘貼到封裝底部。輸入輸出采用金帶連接到封裝上的射頻絕緣子，其余管芯采用金絲互聯(lián)。

2.2 同軸封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

同軸SMA 系列機構(gòu)是一種非常實用的連接結(jié)構(gòu)模式，它體積小，機械性能優(yōu)越，可靠性高，便于安裝。本文利用同軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)限幅器架構(gòu)，可提高限幅器的應用環(huán)境和使用特點。

同軸封裝結(jié)構(gòu)分為兩部分，一部分是SMA-KK 結(jié)構(gòu)，一部分是SMA-KJ 結(jié)構(gòu)。SMA 每部分都由外導體、內(nèi)導體和介質(zhì)支撐等組成。通過SMA 結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)50 Ω特性阻抗，與限幅器封裝輸入輸出端匹配。同軸外殼采用不銹鋼材質(zhì)，介質(zhì)支撐采用聚四氟乙烯材質(zhì)，內(nèi)導體采用鈹青銅材料。

設(shè)計同軸SMA 結(jié)構(gòu)時，應遵循以下要求：

（1）同軸內(nèi)部阻抗要保持一致，內(nèi)導體橫截面盡可能使特性阻抗等于標稱值。

（2）內(nèi)導體長度應控制好誤差，防止輸入和輸出端插入的絕緣子互相碰撞。同時內(nèi)導體做好變徑設(shè)計，防止絕緣子松動。

（3）盡量減小機械公差對電性能的影響。設(shè)計時合理控制尺寸公差，提高加工精度，保證零部件的一致性。

同軸封裝主要材質(zhì)是不銹鋼、聚四氟乙烯、鈹青銅等。在經(jīng)受各類環(huán)境試驗如溫度沖擊、高溫貯存、老煉試驗時，由于膨脹系數(shù)的不同，各類材料會發(fā)生一定的變化，影響結(jié)構(gòu)尺寸面的形變。因此，在設(shè)計產(chǎn)品時需要通過對介質(zhì)支撐材料進預處理，完善支撐面尺寸公差和焊接工藝及流程。保證產(chǎn)品安裝后，尺寸面一致性較高，歷經(jīng)試驗時形變量最小。

同軸封裝SMA-KK 結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)信號輸入和連接限幅器封裝輸入端的作用。兩端口都采用SMA-K 形式，內(nèi)導體為可伐材質(zhì)的插孔結(jié)構(gòu)。信號由信號輸入端進入同軸封裝，通過內(nèi)導體傳輸?shù)絻?nèi)部輸入端，其與限幅器封裝的輸入端連接，使信號進入限幅器封裝。同軸封裝SMA-KJ 結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)信號輸出和連接限幅器封裝輸出端的作用。信號輸出端采用SMA-K 形式，內(nèi)部輸出端采用SMA-J 形式，內(nèi)導體為可伐材質(zhì)的插孔結(jié)構(gòu)。內(nèi)部輸出端與限幅器封裝的輸出端連接，信號通過內(nèi)導體由信號輸出端輸出。同軸封裝結(jié)構(gòu)示意圖由圖3所示。

圖3 同軸封裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 同軸封裝限幅器裝配

同軸封裝限幅器裝配時，先將限幅器封裝內(nèi)部輸入端旋入同軸封裝SMA-KJ 結(jié)構(gòu)的內(nèi)部輸出端。使限幅器封裝的輸出射頻絕緣子準確插入到同軸封裝SMA-KJ 的內(nèi)導體后，再繼續(xù)旋入限幅器封裝使其與同軸封裝緊密連接。再將同軸封裝SMA-KK 結(jié)構(gòu)的內(nèi)部輸入端的內(nèi)導體對準限幅器的輸入端絕緣子，將SMA-KK 內(nèi)部輸入端旋入同軸封裝SMA-KJ結(jié)構(gòu)內(nèi)并緊固。同軸封裝限幅器的裝配示意圖如圖4所示。

圖4 同軸封裝限幅器裝配示意圖

3 測試結(jié)果和性能分析

對同軸限幅器進行指標測試，測試頻率范圍為300 MHz ～2 000 MHz，輸入功率條件為脈寬100 μs，占空比0.1%，峰值功率1 000 W。經(jīng)過測試，限幅器損耗小于1 dB，駐波小于1.5，泄漏功率小于16 dBm，仿真與測試結(jié)果基本吻合。結(jié)溫臺測試二極管平均溫升小于5 ℃，產(chǎn)品常溫測試5 分鐘，管殼溫升小于10 ℃。通過結(jié)溫測試，驗證了本產(chǎn)品的可靠性和較好的環(huán)境適應性。測試曲線如圖5所示，同軸限幅器實物圖如圖6所示，產(chǎn)品尺寸34 mm×Φ9 mm。

圖5 同軸限幅器測試曲線

圖6 同軸封裝限幅器實物圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于同軸封裝的微波限幅器結(jié)構(gòu)。該設(shè)計方案可實現(xiàn)氣密封裝，且連接端口為SMA 形式，便于使用和安裝。產(chǎn)品體積小，性能優(yōu)良，在300 MHz ～2 000 MHz 范圍內(nèi)，可承受峰值1 000 W 的脈沖功率，產(chǎn)品體積僅為34 mm×Φ9 mm。實現(xiàn)了限幅器的氣密性同軸封裝結(jié)構(gòu)，可靠性高，提升了限幅器的應用范圍。