基于氮化镓二极管的高线性限幅器设计及研究

刘飞飞，史 磊，孙一航

（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

随着电子技术和半导体工艺的持续发展，现代无线电系统对接收链路的线性度要求不断提高，而ADC前级限幅保护电路的高线性度与低泄露功率之间的矛盾凸显出来。在ADC 的保护方面，传统的自动增益控制（AGC）电路和限幅器存在着一些限制，存在起限功率较低、漏功率较高、以及线性度不足等缺点[1]。

GaN 材料因其禁带宽度大、反向击穿电压高和散热性能优越而被选用，确保了高线性限幅器的高耐功率和高可靠性。为了克服传统AGC 电路和限幅器之间的矛盾，本文提出了一种基于氮化镓（GaN）PIN 二极管的高线性限幅器，该限幅器采用薄膜混合集成工艺，在5mm×5mm×2.5mm 的一体化陶瓷表贴封装内实现了100MHz～1000MHz 的工作带宽、40dBm 耐功率与26dBm 的输入P-1dB 指标，体积小巧，性能优异。该限幅器非常适合用于在复杂的电磁环境中ADC 芯片的功率防护。

1 电路基本原理

1.1 PIN 二极管限幅原理

在射频信号输入功率较小时，PIN 二极管的I 层（本征层）表现出较高的电阻，射频信号正常通过限幅电路。当输入功率增加到一定程度时，二极管内的载流子数量增多，此时二极管开始导通，限幅电路隔离度变大。当输入功率达到一定水平后，导通后的电阻值会保持在较低的水平，即使输入功率继续增加，限幅电路的隔离度也不会改变。图1 为限幅器输入输出功率曲线。

图1 限幅器输入输出功率曲线

图2 为PIN 二极管芯片剖面及其射频等效电路。在限幅器电路中，PIN 二极管可以使用电荷控制理论和射频电导率调制效应来建模。在正向偏置状态下的PIN二极管可以有效地表示为一个电流控制的可变电阻[1]。通过电阻的变化，可以实现对信号幅度的限制，即限幅功能。

图2 PIN 二极管剖面及其射频等效电路

1.2 线性度分析

限幅器线性度通常可以用1dB 功率压缩点表征，即隔离度达到1dB 的状态。限幅器电路通常由PIN 二极管并联到地构成，此时限幅器隔离度由式（1）决定。

式中：Z0——特性阻抗；Ri——二极管正向导通电阻。隔离度为1dB 时的正向导通电阻约为205Ω。

参考文献[2]中详细介绍了PIN 二极管正向导通时串联电阻Ri 的计算方法，当限幅器施加交流信号时，PIN 二极管的正向导通电阻由式（2）决定，载流子扩散系数计算如式（3）所示。

式中：W——PIN 二极管I 层厚度；f——功率信号频率；q——电子电荷量，等于1.602×10-19C；Dap——载流子扩散系数；k——玻尔兹曼常数；T——绝对温度；Irf——正向偏置电流；μ——载流子迁移率。

图3 为PIN 二极管剖面图及其射频等效电路，根据图3 电路结构分析，当线性度指标为给定值时，即此时的输入功率已明确，那么流经串联电阻的电流Irf为恒定值。根据式（2）和式（3），只有调整I 层厚度W 或者电子迁移率，才能得到合适的导通电阻。

图3 限幅器等效电路图

1.3 移相原理

由于数模转换器（ADC）的输入电压有上限且对信号的线性度有较高要求，本文的目标是设计一款高线性限幅器。期望该限幅器的输入P-1达到26dBm，同时将漏功率控制在30dBm 以下。

这种限幅器很难通过单级实现，需增加限幅器级数，并将级间间隔控制到λ/4 电长度来降低漏功率。线性限幅器工作原理如图4 所示，频率高时使用微带线调整级间电长度，频率低时可以采用集总元件移相[3]。

图4 线性限幅器工作原理

由集总元件电感电容组成的移向网络中，电容量和电感量用式（4）和式（5）得出[4]。

式中：ω——角频率；Z0——特性阻抗。

2 电路设计

2.1 限幅器设计

增加PIN 二极管的I 层厚度，可以增加限幅器的串联电阻，提高线性度。但同时会降低其响应速度并提高漏功率的尖峰泄露。另一方面过厚的I 层厚度会增加PIN 二极管的导通电阻，使限幅器的耗散功率变大[5]。

本设计采用GaN 工艺设计制造PIN 二极管。GaN材料具有较低的电子迁移率，其制成的PIN 二极管在流经相同电流时，具有更大的导通电阻。此种方法可以提高线性度，满足P-1要求。表1 为常见的PIN 二极管材料的特性对比。

表1 常见的PIN 二极管材料的特性对比

在本论文中，采用了双级限幅结构，并在两级之间插入T 型移相网络。为了平衡产品的高频与低频性能，并考虑整体带宽，选择了1000MHz 作为移相网络的中心频率。

由式（4）和式（5）计算得：

2.2 软件仿真

使用电磁仿真软件对电路进行仿真，其中PIN 二极管模型使用A.G.M.Strollo 提出的模型[6]，并将I 层厚度、器件参数等带入模型。移相网络中电感模型选择贵州顺络迅达QEC0402 系列8nH，电容采用MIS3.2pF 电容，设置1000MHzQ 值为50。线性限幅器仿真电路如图5 所示。

图5 线性限幅器仿真电路

限幅电路小信号及大信号特征仿真结果如图6所示。

图6 小信号及大信号特性仿真结果

3 电路测试

本文设计的高线性限幅器采用混合集成电路工艺制作，为保证其高可靠性，采用一体化陶瓷管壳进行电路封装，最终实物如图7 所示，产品尺寸仅为5mm×5mm×2.5mm。小信号及大信号特性实测结果如图8 所示，其中大小信号采用矢量网络分析仪测试，小信号测试时，输入功率为-20dBm；大信号输入1dB 功率测试时，输入功率从15dBm 扫描至30dBm，间隔0.5dBm；大信号漏功率测试时，输入功率为40dBm，扫频间隔150MHz。

图7 线性限幅器实物

图8 小信号及大信号特性实测结果

由实测结果看出，输出P-1＞26dBm，漏功率＜30dBm。

4 结论

本文成功设计了一款基于氮化镓（GaN）PIN 二极管和薄膜混合集成工艺的高线性限幅器，有效解决了传统自动增益控制（AGC）电路和限幅器在大信号环境下的性能指标不足问题。经测试，该限幅器在100MHz至1000MHz 的宽频带内插入损耗小于0.6dB，输入P-1dB大于26dBm，最大可以承受连续波功率10W。本研究实现了线性限幅器技术的重大突破，为现代无线电系统提供了一种高效、可靠的微波防护方案。