8GHz～18GHz限幅开关放大器组件

张小红，钱志宇，江浚清

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

随着雷达、导航、电子对抗、微波通讯、宇宙通讯、电视、遥测遥控的发展，要求微波接受系统向大动态（即输入信号功率大范围变化时，输出信号能保持在一定范围内）发展。限幅开关放大器组件主要基于这种需要而设计。

2 原理简介和设计

2.1 原理简介

设计该组件由限幅器、单刀双掷开关、放大器等构成，在接收大信号时通过控制信号来控制射频开关，使信号直通通过；接收小信号时通过控制信号来控制射频开关，使信号通过放大器放大输出，从而使输入信号功率在大范围变化时输出信号保持在一定范围内，起到扩展动态范围的作用。

2.2 电路设计

2.2.1 限幅器的设计

设计限幅器的作用是使组件在有超出后续电路承受的大功率信号输入时，衰减输入信号，保护后续电路在大功率信号下不被损坏。设计本组件时，设有一较大的最大输入功率，同时考虑到后级放大芯片亦有其承受功率，为保证组件可靠性，放大器芯片的承受功率减半设计，而该限幅器设计采用两级并联式限幅，第一级限幅管选用能承受其最大输入功率的PIN二极管，第二级限幅管选用限幅电平为放大芯片最大输入功率的PIN二极管。电原理简图如图1。

图1 限幅电原理简图

图中D1、D2是PIN限幅管，D1与D2之间的距离是中心频率的四分之一波长，C1、C2为隔直电容，L为泄流回路的电感。其限幅原理有关文献已有详述，这里不再赘述。

2.2.2 单刀双掷开关的设计

设计此开关的作用是对组件的直通和放大两支路进行切换。设计组件的放大器增益＞20dB，为使直通和放大两支路不互相干扰，设计开关的隔离应＞40dB。由于设计放大器的前后各有一级开关，而总开关隔离＞40dB，因此设计每级开关的隔离应＞20dB。为能在宽频带下实现此要求，分析决定采用PIN二极管串并联结构。电原理简图如图2。

图2 开关电原理简图

图中，D1、D2、D3、D4为PIN开关二极管，C1、C2、C3、C5、C6为隔直电容，L1、L2、L3为直流通路的电感。原理可参考有关文献。

2.2.3 放大器的设计

设计放大器的作用是对输入小信号进行放大。设计要求组件的增益大于20dB，由于限幅器和二级开关引入了大约6dB的插损，放大器的增益设计值应大于26dB。

设计要求放大器频带较宽，增益较高，为了使设计出的组件有较高的一致性和可靠性，分析决定放大器采用放大芯片级联的方式实现。

2.2.4 组件整体的设计

设计该组件采用两个腔体结构，正面腔体用于放置微波电路，反面腔体用于放置开关驱动器和放大器偏置电路。

由于该组件的设计频率较高，频带较宽，为了取得良好的高频特性，减少介质损耗，设计采用DURIOD5880介质基片；为了减小分布电容和电感，同时提高设计出的组件的可靠性，设计该组件采用微组装工艺，将多功能芯片二次集成，以实现限幅、开关、放大器多功能组件。

设计组件中开关的偏置回路由射频扼流圈和射频旁路电容构成，设计组件中宽带放大单片的偏置由稳压块直接提供。另外，设计使用TTL信号直接控制开关的直通和放大两支路的通和断，故设计开关中内置了TTL集成驱动电路。

3 主要研究、实验工作

3.1 宽带高增益的问题

本设计组件的频带特别宽，而组件各部分在频带高端的插损无论理论还是实际结果都较大，因此，保证该组件的放大器增益在频带内比较平坦是本课题的设计难点。

在限幅器和开关的电路设计上，将频带的中心频率向频带的高端适当偏移，牺牲一部分频带低端的特性，将频带高低端的电特性兼顾考虑，从而使输入放大器的信号在频带高低端插损比较一致。而在实际选用放大芯片时，选用宽带内增益较平坦的芯片。

3.2 驻波的问题

该设计组件的限幅器、开关及放大器通过50Ω微带线连接，连接中不可避免会引起驻波变大的问题，为了保证组件的总体指标，在多功能电路间的连接处设计了过渡匹配电路。

3.3 电路网络拓扑的综合分析

该设计组件是一个复杂的二端口网络，各种元器件的实际安装中不可避免地会引入电场不连续性，稍有不慎就会在局部或全部频段内使电性能恶化。在实现设计目标时，必须利用计算机进行优化设计，给出电路拓扑，经过设计优化、实验、分析、再设计修正。

4 研制结果

按照此方法设计的限幅开关放大器组件在8GHz～18GHz的宽频带内增益可达到大于20dB，开关速度小于100ns；而微波PIN二极管管芯及宽带放大芯片等经微组装工艺二次集成实现，使设计的产品性能优良、可靠性高。

5 结束语

文章提出一种设计8GHz～18GHz限幅开关放大器组件的方法，此方法设计出的组件体积小、性能优良、可靠性高，主要用于接收设备的前端，扩展输入信号的动态范围。今后可将本设计的组件和一些定型产品连接，扩展它们输入信号的动态范围。

[1] 《中国集成电路大全》编委会，编.微波集成电路[M].北京：国防工业出版社，1995.

[2] 美国General微波公司.1999年产品手册[R].

[3] 美国Hittite微波公司.1999年产品手册[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.