新型高功率有源限幅器

电子科技集团第十研究所 徐 凌

英飞睿(成都)微系统技术有限公司 杜倚诚

限幅放大器（简称限放）是雷达前端的重要部件，由限幅器和和放大器构成。当输入功率过高时，限幅器插损会迅速增大，使泄露到放大器的功率始终维持在较低的状态，从而保护放大器免于烧毁。限幅器的功率容量从数百毫瓦至数千瓦不等，漏功率一般在15dBm以下。大功率限幅器一般采用PIN二极管实现，又可以分为无源式限幅器和有源式限幅器，无源式限幅器直接利用二极管的微波限幅特性进行限幅，漏功率大，发热大，功率容量低，有源式限幅器利用输入功率耦合检波输出的直流电流将二极管导通，可以明显降低二极管导通电阻，减少漏功率，提高功率容量，是大功率限幅器（100W以上）的最常见形式。

本文提出了一种新的有源限幅器电路，明显降低了小功率下限幅器的限幅门限，而同时提高了满功率下的检波输出电流，提高了限幅器的功率容量。且电路结构简单，成本低廉，有非常良好的实用价值。本结构已经应用于一款P波段高功率限幅放大器产品，产品性能位于国内领先水平。

PIN二极管是一种常见的微波控制元件，其在传统的PN结之间加入了一层本征层I层，从而明显降低了反向截止电容和反向漏电流，并克服了少子导电造成的反向恢复电流，使开关时间也明显降低。在射频波段，PIN二极管呈现线性电阻的特性，其阻值与导通电流呈反比。

PIN二极管限幅器是将二极管并联于带线上，当射频功率经过时，会产生一个微弱的整流电流，从而使二极管导通，此时二极管的导通电阻会吸收一部分射频功率，同时反射一部分射频功率，使漏功率降低，射频输入功率越大，整流电流越大，二极管电阻越低，反射的功率越多，其限幅特性如图1所示。对无源限幅器，功率每提高10dB，漏功率提高3dB。

图1 微波限幅器的限幅曲线

在微波频率，PIN二极管的整流效应是很弱的，尤其是I层较厚的大功率限幅管，为了进一步降低导通电阻，降低漏功率和二极管发热，常常加入一耦合检波电路构成有源限幅器，如图2所示。耦合电路耦合一部分射频功率检波输出直流提供给二极管，从而明显降低了二极管的导通电阻。加入耦合检波后的限幅器限幅特性如图3所示。

图2 耦合检波限幅器示意图

图3 有源限幅器的限幅曲线

传统的耦合检波电路有以下缺点。当输入功率增大时，耦合电压也随着增大，由于二极管的导通曲线是指数特性的，二极管电流会迅速增加，很容易烧毁检波二极管，为了使额定功率下的检波电路正常工作，耦合度不能取的太高，而降低耦合度，又会使限幅器的起限电平提高，如图4所示。例如某额定功率2000W限幅器，第一级限幅器采用耦合检波有源限幅器，起限功率就在200W以上，此时检波器不工作，PIN管相当于进行无源限幅，发热急剧增大，很容易烧毁限幅管。

图4 一般检波器的正常工作范围

为了解决这个问题，常在检波管之前加入限幅管，限制输入检波管的功率，这样即使采用较高的耦合度，也不会烧毁检波管，如图5所示。这种方案的难点在于附加限幅管的选型，不同I层厚度的限幅管限幅电平差异很大，并且相同限幅管在不同频率下的限幅电平也差异很大，限幅管选小了，检波电流不够，限幅器烧毁，限幅管选大了，漏功率太大，检波管烧毁，往往需要大量的实验才能选取合适的限幅管。此外，即使有限幅管，耦合器的耦合度仍然不能取太高，否则同样会烧毁检波管，也会影响限幅器的小信号损耗，对2000W限幅器，第一级起限电平也往往在几十瓦以上。

图5 加入附加限幅管后的耦合器电路

针对这一问题，本文提出了一新的耦合检波结构，如图6所示，耦合器仍采用微带耦合器，对大功率限幅器，耦合度一般很低（-30dB以下），因而耦合线很短，可以认为输出阻抗很低，电感L和检波管的寄生电容构成谐振电路，谐振于工作频率处。两个二极管构成了全波整流电路。

图6 新型检波结构电原理图

首先分析小信号状态，此时检波二极管不导通，等效电阻很大，二极管两端电压如公式1所示。其中，k为耦合器耦合系数的绝对值，Pi为输入功率，z0为系统特征阻抗，一般为50Ω，L为电感感值，cd为二极管结电容。可见，当频率在谐振频率附近时，分子趋于0，电压会明显提高。谐振电路相当于一电压倍增器，极大的提高了耦合器的输出电压，使耦合电路的等效耦合度成倍提高，非常明显的降低了限幅器的起限电平。

大信号时，检波二极管导通，等效电阻很小，相当于短路，检波器输出直流电流如公式2所示。可见，此时电感l限制了二极管的导通电流，检波器的输出正比于输入射频功率，此外，由于实际电路中，为了节约版面，微带耦合线的长度远小于四分之一波长，其耦合度k与频率呈正比，l的感抗与频率呈反比，两者抵消，耦合电路的电流随频率是不变的。此时，检波电流随输入功率增加线性增加，而PIN限幅管的导通电阻与电流呈反比，因此限幅器随输出功率的增加，漏功率不变。

可见，电感L在小功率时，起到了电压谐振器的作用，可以提高输出电流，而大功率时，又起到了限流器的作用，可以限制输出电流，防止二极管烧毁。本结构与传统结构的对比如图7所示，本电路可以在很宽的功率范围内提供相对稳定的输出电流。

图7 新型检波结构输出曲线

采用ADS对传统结构和本结构进行仿真，频率430MHz，二极管选用安森美公司MBD770DWT1，仿真结果如图8所示。仿真结果与理论分析一致。

图8 仿真结果

采用本结构进行一实际限幅放大器设计，频率，功率6000W，脉宽2ms，占空比8%，采用平衡式结构实现，每路限幅功率3000W。图9为原理图，检波管采用选用安森美公司MBD770DWT1，限幅管采用MACOM公司的MA4P607。电路进行了满功率测试，完全满足设计要求，测试结果如表1所示。相关指标达到国内领先水平。

图9 原理图

表1 限幅放大器组件测试结果

本文介绍了一种新型有源限幅器结构，与传统结构相比，明显提高了限幅器耐功率，降低了起限电平，提高了限幅器的综合性能。设计了相关产品，并进行了加工测试，综合性能达到国内领先水平。但电路仍有改进的余地，由于采用了谐振单元，带宽受到限制，未来可以采用二阶谐振单元提高带宽。