2～4 GHz宽带高增益小型化限幅低噪声放大器

2018-05-04邓世雄中国电子科技集团公司第十三研究所河北石家庄050051

舰船电子对抗 2018年1期

周全，邓世雄(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

0 引言

限幅低噪声放大器作为T/R组件中的重要组成部分，被大量应用于车载、机载、舰载雷达。随着雷达向着高效率、高输出功率以及质量轻、体积小、集成化的方向发展，要求T/R组件中限幅器承受功率越来越高，同时对具有多功能的小体积管壳封装类限幅低噪声放大器的需求越来越迫切[1]。2015年Qorvo公司推出了工作频率2～4 GHz、限幅功率200 W 的TGL2927-SM型限幅器单片(脉宽500 μs，占空比15%)，但对于更高限幅功率、更大占空比的限幅器单片，国内外未见报道。

目前，由于采用单片电路工艺很难实现对高功率限幅器和低噪声放大器的一体化集成，采用微波薄膜混合集成电路工艺设计的小型化管壳封装类限幅低噪声放大器凸显出巨大优势，具有广阔的应用市场。本文设计的限幅低噪声放大器具有小体积、多功能、高功率限幅、宽带、高集成度的特点，应用于有源相控阵雷达T/R组件的接收前端。

1 电路设计

设计制作的限幅低噪声放大器具有的功能如图1所示。当开关控制信号TTL为“0”时实现通道1→2传输功能；当开关控制信号TTL为“1”时，实现通路2→3传输功能。

图1 产品功能框图

限幅低噪声放大器主要由3 dB电桥、限幅器、低噪放、开关、TTL转换等子电路组成。其中3 dB电桥采用Lange形式，限幅器采用半有源式耦合检波PIN限幅电路，开关采用GaAs单刀双掷(SPDT)单片与TTL转换电路相结合。电路原理框图见图2。

图2 限幅低噪声放大器电路原理框图

整个电路的关键点是限幅电路及PIN限幅管芯的选取，低噪声放大器的宽带、高增益与小体积设计。

1.1 限幅器电路设计

无源限幅器受其工作原理影响，PIN二极管导通情况通常不良好，高功率时极易烧毁，需要引入有源偏置来促进PIN二极管导通，增强其承受功率能力。图3是半有源式限幅器，通过后级的肖特基检波二极管整流出直流电流，促进PIN二极管的良好导通。

图3 半有源式限幅电路

图3是一个半有源式限幅器，通过后级的肖特基检波管整流出直流，加快PIN管导通。此类电路在输入信号功率很大时，检波管容易被前级PIN管的尖峰泄漏功率烧毁，需要通过级联不同I层厚度的多个PIN二极管来降低尖峰泄漏功率，导致到达检波二极管处的功率较小，整流出的直流有限，同时限幅电路插损较大。

本文采用的限幅器电路通过增加耦合支路，利用耦合器将检波二极管引入到电路的输入端以获取足够大的射频信号，确保检波二极管能够整流出足够的直流，促使PIN管更好地导通。其原理如图4所示。

图4 带有耦合检波的限幅电路原理图

限幅电路中，PIN二极管的选取至关重要。影响前级PIN限幅二极管的温度特性主要有3个因素：耗散功率、管芯热阻、管芯热容。经计算，每一支路限幅器需承受130 W左右的输入功率，前级PIN管的耗散功率约为13 W。结合几轮实验验证，最终选用结电容为0.15 pF、I层厚度7 μm、热容2.28 μJ/℃、热阻40 ℃/W的PIN二极管。利用软件瞬态仿真，在环境温度80 ℃、脉宽1 ms、周期3.3 ms条件下，前级PIN管的结温曲线如图5(图中纵坐标电压等同于温度)所示，可得出前级PIN管芯平均结温在118 ℃左右，可靠性指标满足工程使用要求。

图5 前级PIN二极管管芯结温仿真图

1.2 宽带低噪声放大器电路设计

低噪声放大器部分采用三级放大电路级联以达到近40 dB增益，放大管芯选用PHEMT场效应晶体管管芯。第一级放大电路通过牺牲部分驻波比指标达到最佳噪声匹配，第二、三级通过引入适当负反馈，既展宽频带又对稳定性有很大提高。为适应小体积管壳封装要求，电源采用了单电源自给偏压形式。低噪声放大器电路拓扑图如图6所示。

图6 三级放大电路结构拓扑图

低噪声放大器电路增益、驻波、噪声系数经软件仿真，结果见图7、图8、图9。

图7 低噪声放大器电路增益仿真结果

图8 低噪声放大器电路驻波比仿真结果

图9 低噪声放大器电路噪声系数仿真结果

2 结构设计

2.1 管壳结构设计

考虑到管壳底座及吸收负载的散热，经过软件仿真及多次实验验证，结合产品气密性要求，最终管壳底座选用钨铜材质(W85Cu15)，其热导率170 W/(m·K)，热膨胀系数7×10-6/℃，各功能管腿采用玻璃绝缘子，墙体采用可伐材料(4J29)，盖板采用可伐材料(4J42)，平行封焊工艺。管壳外形结构见图10。

图10 限幅低噪声放大器管壳外形图

产品在限幅耐功率测试中曾发生“放电打火”现象，通过仿真分析，此现象是由于电场强度超过了空气击穿场强，将空气击穿造成的。最终通过调整管壳绝缘子同时改进测试夹具结构解决了“放电打火”现象。图11为仿真结果。

图11 高功率电场强度仿真

2.2 吸收负载设计

限幅器吸收负载选取金刚石作为热沉(热导率1 200 W/(m·K)，热膨胀系数1×10-6/℃)，负载电阻采取薄膜光刻工艺制作氮化钽(TaN)电阻，在350 ℃ 氢气环境中退火30 min。考虑到吸收负载采用AuSn焊料烧结，利用薄膜光刻工艺在金刚石热沉背面制作了TiW/Ni/Au 3层结构。图12为负载电阻仿真模型图。

图12 大功率负载电阻仿真

2.3 版图结构设计

由于产品内腔体积 (22.0 mm×10 mm×4.0 mm)有限，限幅低噪声放大器由4种子电路组成，元器件多达50余个，集成度很高，尤其电路的净增益高达38 dB，如果各个子电路的版图设计、布局不合理，极易引起放大器自激。在各子电路版图设计时尽量避免各级电路管芯间相互影响，减少各传输带线间的耦合，减少带线折弯、跳变等不连续性，键合引线不能交叉、相互间不能太近。无论直流偏置还是微波部分均预留可调节的稳定性匹配措施[2-7]。

3 测试结果及分析

对限幅低噪声放大器的各项性能指标进行了全面测试。图13为限幅低噪声放大器在小信号(Pin=-40 dBm)状态下增益与频率关系图，在2～4 GHz工作频率内，增益达到38 dB,增益平坦度达到0.4 dB。图14为限幅低噪声放大器在小信号(Pin=-40 dBm)状态下输入输出驻波比与频率的关系图，在2～4 GHz工作频率内，驻波比小于1.4。图15为限幅低噪声放大器小信号(Pin=-40 dBm)状态下噪声系数与频率关系图，在2～4 GHz工作频率内，噪声系数小于1.4 dB。图16为限幅低噪声放大器在输入功率250 W(脉宽1 ms，30%占空比)的恢复时间图，由图中曲线可知恢复时间为0.9 μs。