基于HFSS的毫米波限幅航插的研究

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(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

0 引言

随着现代微波武器的飞速发展，其对航空领域各类电子控制器的大功率干扰已经成为目前需要解决的重要问题之一，而限幅器作为一种微波控制器件能够起到至关重要的作用[1-2]。限幅器主要用于阻止大功率信号进入电子控制器，对其内部的元器件造成损伤，在低功率时对输入信号没有影响，在功率增加到规定值即门限电平时，输入信号通过限幅器后将产生很大的衰减，此后输入功率继续增大时，输出功率将保持不变。目前限幅器技术比较成熟，国内在低频段的研究文献和产品很多，其中南京电子器件研究所研制的限幅器达到了国外同类商用限幅器的性能[3]；而对于高频段限幅器的研究，国外Cernex公司的限幅器可以在26～40 GHz的工作范围内，满足插入损耗小于1 dB、驻波优于2∶1的性能要求[4]，国内在该频段的研究工作较少，并且主要采用“路”的思路来设计限幅器[5]。西北核技术研究所李勇等人对PIN二极管在EMP作用下的响应进行了研究[6]，对PIN限幅器全物理器件模型的建立有着指导意义，对于采用“场”的思路设计限幅器具有参考价值。

在传统航空领域，通常将限幅器模块单独设计并用线缆与航空插头前端相连接，随着射频技术的发展，国内也有将其集成于电子控制器电路板上的设计。前者可能造成更多的插入损耗并且增大了控制器空间，而由于航空发动机超高温的限制，控制器仅位于压气机机匣表面有限冷端空间内，所以减小控制器所占空间对于航空发动机尤其重要；后者一旦损坏，需更换整个控制器电路板，成本较高，操作复杂，并且不方便进行维护和改进。在此，考虑了上述2种方案的利弊，提出了将限幅器集成于航空插头针脚内部的设计方案，既减少了控制器空间又能够起到限幅器的效果，并利用Ansoft公司三维电磁仿真软件HFSS进行了建模与仿真验证[7-11]。

1 限幅器的设计与仿真

1.1 限幅二极管的建模

本文选用Skyworks公司的型号为CLA4601- 000和CLA4609-000的PIN限幅二极管，其为典型的台式结构，物理结构截面如图1所示，考虑到二极管的结构，所以将它们并联于微带电路中，构成宽带低通滤波网络。商家推荐工作频率为30 GHz以内，其中CLA4601-000二极管I层厚度为1 μm，在0 V的结电容为0.12 pF，在10 mA的总串联电阻为2.5 Ω，最大连续波承受功率为2 W; CLA4609-000二极管I层厚度为28 μm，在0 V的结电容为0.26 pF，在10 mA的总串联电阻为1.5 Ω，最大连续波承受功率为20 W。

图1 PIN二极管截面

P层和N层都具有较高的掺杂浓度，P层一般很薄，其电阻值在毫欧级别，通常在分析计算中可以忽略；N层厚度一般是最厚的，其电阻值在几百毫欧级别，构成了二极管的最低阻抗，其电阻值为：

Rlayer=ρlayer×Tlayer/Alayer

(1)

ρlayer为电阻率；Tlayer为厚度；Alayer为面积。

I层位于P层和N层之间，理想状态为不掺杂层，实际为极低掺杂的本征半导体层，阻值可以达到几百欧姆甚至上千欧姆，I层阻值为：

(2)

w为厚度；IF为偏置电流；μA为载流子迁移率；TL为最少迁移时间。I层的阻值也可以通过式(1)近似计算得到。

限幅二极管等效电路[12-13]如图2所示，Rs为二极管串联电阻；CP为寄生电容；Cj为零偏置结电容；Rj为二极管结电阻。

图2 限幅二极管等效电路

在HFSS中建立了PIN二极管的物理结构仿真模型，其材料参数设置如表1所示。电导率根据式(1)和式(2)计算得到，采用的键合金丝直径为18 μm，拱高为0.2 mm，跨距为0.3 mm。通过去嵌入式阻抗场计算方法[14-16]，得到其S参数文件；根据等效电路模型，通过拟合S参数幅度和相位曲线，得到二极管的等效寄生集总参数数值。

1.2 限幅器的设计与建模

本文采用将2个PIN限幅管并联于微带电路中的方法，来实现对输入信号功率的控制，两者间隔1/4波长，电路原理如图3所示。第1级PIN二极管采用CLA4609-000，其可承受高功率的信号，进行初步衰减；第2级二极管采用CLA4601-000，其I层较薄，可以有效地减少尖峰泄漏能量，两者配合使用可以起到很好的限幅效果。为了在输入输出端隔离直流电流，接入了2个超宽带电容；直流偏置电路通过射频扼流电感接地实现。

图3 限幅器设计原理

利用HFSS仿真软件，结合上文限幅二极管的建模，建立如图4所示的限幅器场仿真模型，由SMA接口、限幅二极管、射频扼流电感和电路基板组成。其中，限幅器电路板采用Duriod-5880材料，其厚度为0.254 mm，SMA接口通过0.3 mm的绝缘子针与限幅器输入输出端相连。通过调整限幅器匹配阻抗线的长度与宽度，以实现所要求的插入损耗和驻波指标，最终仿真结果如图5所示，在25～35 GHz内，限幅器的插入损耗小于1 dB，驻波比优于1.4∶1，插入损耗在高频段时迅速增加。

图4 限幅器场仿真模型

图5 限幅器仿真结果

2 限幅航插的设计与建模

2.1 限幅航插的设计

本文对MIL-DTL-38999标准下的某一圆型航空插头进行改进，在插头针脚内加入上文所设计的限幅器，其结构示意如图6所示。该型插头的针直径为2.5 mm,长度为17.5 mm,限幅器安装部位的直径为3.5 mm，长度为6.2 mm,限幅器外部屏蔽层材料与针脚材料一致，限幅器的输入输出通过0.3 mm的绝缘子针与插头针脚连接。

图6 限幅航插结构示意

2.2 建模与仿真结果对比

在HFSS电磁仿真软件中，建立限幅器连接普通航插结构的整体场仿真模型如图7所示。两者之间通过0.3 mm的铜线相连接，在限幅管小信号状态下，通过仿真计算得到限幅器输入端与航插针脚的输出端之间的插入损耗和驻波。

图7 限幅器连接普通航插结构的整体场仿真模型

建立限幅航插针脚的整体场仿真模型如图8所示。将限幅器集成于航插针脚内部，在限幅管小信号状态下，通过仿真计算得到限幅航插针脚输出端和输入端之间的插入损耗和驻波。

图8 限幅航插的整体场仿真模型

普通航插与限幅航插的仿真结果如图9所示。在全频段范围内，两者的曲线变化趋势相同且插损最大为3.5 dB，而限幅航插的插损都小于普通航插外接限幅器的插损，并且在低频段限幅航插插入损耗变化较慢；两者的驻波比都优于2∶1且变化趋势大致相同，限幅航插在全频段范围内的驻波比基本小于普通航插。

图9 仿真结果

3 结束语

提出了一种将限幅器集成于航插针脚内部的设计方法，并基于限幅器整体场仿真模型的建立方法，分别建立了普通航插与限幅航插的整体场仿真模型。通过HFSS进行仿真计算可知，使用限幅航插方式的插入损耗和驻波比，都要优于普通航插与限幅器相连接方式的插入损耗和驻波比，验证了其优越性，并且限幅航插的设计可提高航空发动机内部空间利用率。