一种VHF频段1 200 W吸收式限幅器的设计

周 全，孔令甲

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

一种VHF频段1 200 W吸收式限幅器的设计

周 全，孔令甲

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

基于国内外限幅单片在VHF频段无法实现kW级别的现实，给出了一种采用混合集成电路工艺，在VHF频段达到1 200 W的新型吸收式限幅器设计，阐述了该限幅器的工作原理和电路设计，采用双半有源式限幅电路，高功率移相网络将四节限幅电路一体化集成。测试结果表明，限幅器工作频率为50 MHz～75 MHz，限幅功率为1 200 W(脉宽3 ms，30%占空比)，小信号插损小于0.3 dB，驻波比小于1.3，限幅输出功率小于15 dBm，恢复时间小于10 s。该限幅器外形尺寸为44 mm×25 mm×12 mm。技术指标满足设计要求。

混合集成电路；限幅器；高功率移相网络；双半有源式限幅电路

0 引 言

限幅器作为一种重要的微波控制器件广泛应用于各型雷达的T/R组件，随着雷达探测距离不断发展，限幅器承受的功率越来越大。2015年美国Qorvo公司推出了工作频率范围50 MHz～6 GHz，限幅功率达到100 W 的TGL2210-SM型限幅单片(脉宽10 μs，占空比10%)，但对于宽脉宽(毫秒级)、大占空比(20%～40%)、高限幅功率(千瓦级)的限幅器，目前国内外厂家还无法通过单片工艺实现。

本文设计的吸收式限幅器，将一种新颖的双半有源限幅电路同PIN无源限幅电路相结合，利用混合集成电路工艺一体化集成于气密封装的铝合金盒体，放弃了传统吸收式限幅器通常采用的3 dB电桥，产品体积减小了一半，同时也对PIN限幅二极管及吸收负载做了合理的热设计，使得限幅器的可靠性满足工程实际使用要求。

1 电路原理

限幅器通常采用PIN 限幅二极管，利用其射频电导调制效应实现对输入大信号的衰减。按工作方式分为反射式和吸收式，按工作原理分为有源限幅和无源限幅。无源限幅电路由于受其工作原理影响，PIN限幅二极管往往导通不太良好，高功率输入时容易被烧毁，有源限幅电路需要额外增加电源支路，实际使用时不太方便。

半有源式限幅电路通过肖特基检波二极管整流出直流，利用这个直流加快PIN二极管的导通，检波二极管检出直流的方向应与PIN二极管正偏方向相同，以保证形成直流回路。图1是一种常见的半有源式限幅电路，通过后级的肖特基检波二级管整流出直流，加快PIN二极管导通。

此种电路起限电平低，承受功率大，但在高功率时检波管容易被尖峰泄漏烧毁。虽然图1这种电路已能为PIN管提供直流偏置，但由于到达检波管处功率较小，检波管整流出的直流有限，无法使PIN管充分导通。对于kW级别的输入功率，设计此类限幅电路时可巧妙地将检波管通过耦合支路引入到限幅器的输入端，保证检波管获得足够大的输入功率，整流出足够多的直流，促使PIN管良好导通[1]，如图2所示。

2 电路设计

综合考虑本文限幅器的技术指标及体积，在前2节限幅电路中新颖地采用了双耦合检波半有源式电路，耦合支路放弃了通常采用的四端口耦合器形式，通过电容耦合保证检波二极管整流出足够的直流，促使PIN管良好导通，节约了体积。合理设计前2节限幅电路之间的移相网络,使前2节限幅电路良好匹配。为提高整个限幅电路隔离度，降低限幅器最终输出功率，第3、第4节限幅电路采用了无源限幅形式。其电路原理如图3、图4所示。

图3中，耦合电容C1、C3值可通过软件仿真选取，以达到合适的耦合度。图5、图6为电容耦合支路的耦合度及驻波比仿真曲线。同样，移相网络中C4、C5、C6及L5、L6值也可通过软件仿真选取，图7、图8为移相网络的驻波比及相移仿真曲线。

建立PIN二极管热仿真模型，对1 200 W功率注入时的二极管耗散功率进行分析。第1节限幅电路单只PIN二级管上耗散功率约为2.5 W，第2节单只PIN二级管耗散功率约为1.5 W。同时由于PIN二级管在大功率注入瞬间将承受300 V以上的峰值电压，因此，需选用高耐压、低热阻的PIN二极管。针对本限幅器电路，第1节D3～D5PIN二极管最终选用结电容0.3 pF、I层厚度90 μm、热容157 μJ/℃、热阻10 ℃/W的PIN管。在环境温度70 ℃、脉宽3 ms、周期10 ms条件下其耗散功率经过瞬态仿真结温曲线如图9所示，可看出该PIN管最高结温在88 ℃左右，可靠性能满足工程实际使用要求[2-3]。

吸收式限幅器大功率负载的设计也非常重要，当1 200 W信号功率注入时，绝大部分都会加载在负载上，对负载的耐功率、散热提出了很高要求。本文选用BeO材质作为热沉，BeO具有高热导率(热导率280 W/ m·K)、价格便宜且与厚膜印刷工艺兼容性较好的特点，通过221 ℃的SnAg3.5焊料将BeO负载焊接到无氧铜垫板散热。对负载建立热仿真模型进行模拟仿真，结温曲线如图10所示。从仿真结果看，当环境温度为70 ℃时，最高电阻膜温小于140 ℃，满足负载可靠性设计[4]。

3 测试结果及分析

对限幅器的各项性能指标进行了测试。图11、图12分别为限幅器在小信号(-15 dBm) 输入状态下的插损、驻波比与频率关系图，在50 MHz～75 MHz频率范围内插损小于0.3 dB，输入输出驻波比均小于1.3。图13为限幅器在1 200 W输入时输出功率与频率的关系图，在50 MHz～75 MHz频率范围内输出功率小于15 dBm。图14为限幅器在1 200 W输入时恢复时间测试图，由图中曲线可知恢复时间为8 μs。图15为限幅器产品外形图，外形尺寸为44 mm×25 mm×12 mm，采用了激光封焊气密封装。

4 结束语

通过采用一种新颖的双半有源限幅电路结构，设计了一款VHF频段(50～75 MHz)、1 200 W输入功率、3 ms脉宽、30%占空比的限幅器。该吸收式限幅器摈弃了传统电路通常采用的3 dB电桥的平衡式形式，降低了插损，缩小了体积，解决了kW量级输入功率的相移网络设计和大功率下PIN二极管的选取以及各种热可靠性分析的技术难点，为后续更高功率限幅器系列化的设计奠定了坚实基础。

[1] WHITE J F.微波半导体控制电路[M].王晦光，黎安尧译.北京：科学出版社,1983.

[2] 高葆新，胡南山，洪兴楠，李浩模，过常宁.微波集成电路[M].北京：国防工业出版社,1995.

[3] 王子宇.微波技术基础[M].北京：北京大学出版社，2003.

[4] LICARI J J，ENLOW L R.混合微电路技术手册[M].朱瑞廉译.北京：电子工业出版社,2004.

DesignofAVHFBand1 200WAbsorptionLimiter

ZHOU Quan,KONG Ling-jia

(The 13th Research institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on the reality of domestic and foreign limiting monolithic with kW level can not be achieved in very high frequency (VHF) band,this paper give a novel design for 1 200 W absorption limiter in VHF band by using hybrid integrated circuit technics,expatiates the working principle and circuit design of this limiter,adopts dual semi-active limiter circuits,integrates the four-stage limiter circuits through high power phase shift network.Test results show that the working frequency range of the limiter is 50 MHz～75 MHz,limiting power is 1 200 W (pulse width is 3 ms,duty cycle is 30%),the small signal insert loss is less than 0.3 dB,standing-wave ratio is less than 1.3,the limited output power is less than 15 dBm,the recovery time is less than 10 s.The limiter shape size is 44 mm×25 mm×12 mm.The technical specifications meet design requirements.

hybrid integrated circuit；limiter；high power phase shift network；dual semi-active limiter circuit

2017-09-06

TN61

A

CN32-1413(2017)06-0112-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.026