小型化S波段限幅低噪声放大器设计探讨

徐 敏，华文艺

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

0 引言

限幅低噪声放大器作为雷达接收系统中的重要组成部分，它的限幅功率、噪声系数、体积等指标的优劣对接收系统来说都是至关重要的。现随着半导体集成电路的材料和工艺技术的发展，限幅低噪声放大器正朝向一体化全单片集成的发展方向快速迭代。目前阶段已实现了 PIN限幅二极管电路与平衡式低噪声放大器集成于同一GaAs衬底的一体化集成限幅低噪声放大器单片[1]，但是由于受到加工工艺技术及其材料散热的局限，这些一体化限幅低噪声放大器单片电路往往都是采取了反射式结构，其输入端对于脉冲信号的耐受功率均不超过150W。在2015年Qorvo公司就推出了一款工作频率2～4GHz，限幅功率能达200W的TGL2927-SM型限幅器单片（脉宽500 s，占空比15%），但对耐受功率高于200W，宽脉宽（ms量级）大，占空比（25%以上）的吸收式限幅低噪声放大器，目前还是无法通过半导体单片式工艺一体化进行集成。

本文就研究通过微波薄膜混合集成电路工艺与GaAs单片集成电路的工艺相结合，设计出一种能实现耐受200W限幅功率，噪声系数小于1.1dB，其中的低噪声放大器设计就采用了“可重构”式低噪声放大单片的设计思路，通过片外匹配较好地实现了低噪声与小体积的技术难题。产品实现后可应用于各型雷达的接收前端，从而实现了工程化应用。

1 电路设计

本文设计的限幅低噪声放大器主要由3dB耦合电桥、限幅器、平衡式低噪声放大器组成。其中3dB耦合器采用Lange电桥形式，限幅器采用半有源式耦合检波限幅与无源限幅相结合的方式，平衡式低噪声放大器采用了“可重构”式的低噪声放大器单片。在采用平衡式电路结构时能有效地改善放大电路中输入端和输出端口的驻波比，在电路设计时不必过于关注端口的驻波比匹配，而是可以重点关注电路最佳噪声系数的匹配。该结构可使限幅功率提高一倍，同时借助于输入Lange电桥的隔离电阻完成吸收式限幅器设计[2]。整个限幅低噪声放大器的电原理图见图 1（P285）所示。

图1 电原理框图

整个电路的设计难点为大功率的限幅与小体积的盒体引起的高能量散热问题，以及低噪声放大器的低噪声与小体积设计。

1.1 大功率Lange电桥电路设计

输入端的Lange电桥采用氧化铝（AL2O3）陶瓷基板，通过电磁场软件仿真及实验反复修正、完善，克服了lange电桥1/4波长受盒体8mm宽度限制而产生的微波不连续性影响，合理设置了交叉指微带线的宽度及间距，利用微波混合集成电路工艺完成了200W输入的Lange电桥设计。200W输入功率状态下（脉宽3ms，占空比30%）小信号输入时Lange电桥插损与驻波比仿真曲线。

1.2 限幅器电路设计

限幅器按工作方式可分为反射式和吸收式两种，按工作原理可分为有源和无源限幅两种。在这里由于我们考虑到200W的限幅功率与壳体尽量小体积的限制，所以采用半有源式限幅电路与无源式限幅相结合的方式进行，该类限幅电路的最主要优点是承受功率大、响应速度快、插损小、限幅电平低、恢复时间快。所谓半有源式限幅电路就是通过在电路中增加耦合支路将检波二极管引入到限幅器的输入端以获取足够大的射频信号，从而确保检波二极管能够整流出足够大的直流电流，促使PIN限幅二极管更好地导通[4]。其电路原理图如图2（P285）所示。

图2 限幅器电原理图

从电路图中我们发现耗散功率最大的就是D4～D6 PIN限幅管芯，通过精确计算，进入单端限幅支路的最大输入功率约为135W，管芯上耗散功率约为12W。对前级PIN限幅二极管管芯D4～D6的最高结温在135℃左右，满足硅PIN二极管最高结温175℃的降额要求，使前级管芯在完全导通的情况下后可提供大于20dB的隔离度，从而可有效保证后级无源限幅电路的正常工作，使电感L1既能形成直流回路促使D7二极管的导通，又能补偿PIN二极管带来的寄生电容效应，便于阻抗匹配[5]。结合几轮实验验证，我们最终选择了合适的二极管芯，完成了相关限幅器的设计。

1.3 大功率负载电阻设计

由于吸收式限幅器的负载需要吸收限幅电路反射的绝大部分功率，同时又受到体积局限，对其散热特性提出了很高要求。结合软件分别对氮化铝、氧化铍、金刚石3种材质耐100W连续波功率的电阻膜面积进行了比对，其中金刚石材料由于热导率为1200W/（m·K）非常适合本文小体积负载的具体要求，考虑到吸收负载在装配时采用AuSn焊料烧结，我们利用薄膜光刻工艺在金刚石背面制作了TiW/Ni/Au三层结构，在正面溅射了氮化钽（TaN）膜电阻。对负载建立热仿真模型，从仿真结果来看当环境温度为70℃时，最高电阻膜温小于170℃，能够满足负载的可靠性设计要求。

1.4 “可重构”式低噪声放大器单片设计

考虑到产品外形尺寸及低噪声系数要求，采用栅长0.15um，栅宽800um的PHEMT放大管芯设计了“可重构”式GaAs低噪声放大器单片。较传统全片上匹配低噪放单片，该方案将低噪放单片的前级输入匹配在片外通过高Q值键合金丝进行匹配，提高匹配网络的Q值，降低损耗，达到最佳噪声系数匹配。“可重构”式低噪声放大器单片既利用单片工艺提高集成度，降低电路尺寸，提高性能一致性，又利用混合集成的优势提高匹配网络的Q值。对于噪声系数要求较低且受到电路尺寸限制的低噪放，“可重构”式低噪声放大器单片是一种很好的解决方案。图3（P285）为单端低噪放单片电原理图。

图3 单端低噪放单片电原理图

图4 噪声系数仿真对比图

2 结构设计

为适应低成本、大功率限幅、小体积的市场要求，采用铝合金金属结构盒体，管壳采用铝合金6061（热导率167 W/（m·K）、CTE23.6Χ10-6/℃），盖板采用铝合金4041，通过激光焊接工艺实现气密封装为适应装配时的热应力匹配，采用AuSn焊料（80%Au20%Sn）将金刚石负载、PIN限幅二极管芯烧结于0.2mm厚钼铜垫片，再将钼铜垫片、输入端绝缘子，电源端绝缘子、输出端 SMP接头采用SnAg3.5焊膏烧结于管壳上，电路陶瓷基板则采用了导电胶粘接于钼铜垫片。

3 测试结果及分析

对限幅低噪声放大器各技术指标进行了全面测试。图5为限幅低噪声放大器在小信号（Pin=-35dBm）状态下增益与频率关系图，增益达到28dB，增益平坦度达到0.2dB，此时输入、输出驻波比小于1.3，噪声系数小于1.1dB，1dB压缩点输出功率大于13.0dBm。

图5 限幅低噪声放大器小信号增益

4 结论

本文基于微波薄膜混合集成电路工艺与GaAs单片集成电路工艺制作了一款S波段频率范围内、耐受200W限幅功率的低噪声、小体积放大器（宽度仅为8mm）。其采用的“可重构”式低噪声放大器单片设计思路为解决此类小体积、低噪声的放大器提供了一种很好的解决方案。测试结果表明电路的设计结果与仿真结果基本吻合，也验证了电路形式的选取和设计方法的正确性。该限幅低噪声放大器具有带宽频、小体积、限幅功率大、低噪声等特点，其工程化的应用也保证了产品的一致性、可靠性，可广泛应用于各型雷达的接收前端。