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基于P I N管的开关限幅器仿真与设计
来源:武华科技   发布时间:2016-03-18  浏览数:2400    【收藏本页】

[导读]摘要:随着通信系统发射功率的增加,高功率容量、高隔离度、低插损、短响应时间的射频开关限幅对其后续电路的保护尤其重要。文章主要介绍了PIN管射频开关限幅的原理,设计了一个工作于220~270MHz,插入损耗小于0.5

摘要:随着通信系统发射功率的增加,高功率容量、高隔离度、低插损、短响应时间的射频开关限幅对其后续电路的保护尤其重要。文章主要介绍了PIN管射频开关限幅的原理,设计了一个工作于220~270MHz,插入损耗小于0.5dB,隔离度大于60dB,驻波比小于1.5dB,功率容量300W,开关时间小于1μs的大功率开关限幅器。该开关限幅器具有小信号低损耗直通,大信号大衰减限幅的特点。利用ADS仿真软件对其仿真,并对加工出来的开关限幅器进行了测试,结果验证了各项指标满足要求。
关键词:PIN开关;开关限幅;ADS;插入损耗;隔离度

0 引言
随着雷达接收、电子对抗、航天电子产品、微波通讯的飞速发展,开关限幅器越来越得到广泛的应用,大功率的开关限幅器也正基于这种需要,对大功率信号进行通断控制和限幅,以保护后续电路的可靠工作。
本开关限幅组件作为整机接收前端的自动保护装置,具有在大功率信号下大衰减限幅,在小功率信号下快速恢复低损耗直通的工作特点,必须具有可以承受高达数百瓦大功率微波信号的能力,这都是通过开关限幅组件中的PIN二极管来实现。

1 开关限幅器的设计
1.1 原理简介
本开关限幅组件前端采用单刀双掷吸收式开关。一端输出接大功率负载,另一端输出接限幅电路。当有大功率信号接入时,PN开关打到大功率负载处,信号全部吸收,组件呈大衰减限幅状态。
当小功率信号时,PIN开关打到限幅电路,第一级采用I层较厚的PIN管,以承受较大的功率,后级I层厚度递减,使限幅门限降低,信号进行一定电平限幅,小信号低损直通。
1.2 电路设计
在同步承受300W的峰值功率下,设计了如图1所示的电路图。

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C1、C4、C6、C7是大功率耦合隔直电容器,V1、V2、V3、V4是大功率PIN开关二极管,L1、L2、L3是扼流圈,C2和L1、L2和C3、L3和C5组成一个低通滤波器。R1、C2、L1组成匹配滤波,BIAS1、BIAS2为偏置电压,由驱动电路提供。R2、R3为上拉电阻,限流保护PIN管,R4为大阻值吸收电阻。V5、V6、V7、V8是限幅二极管,V5、V6采用高电压管芯(I层较厚)的PIN管,同向并联在一起,等分频电流,提高功率承受能力,V7、V8采用低电压管芯(I层厚度较小)的PIN管。
大信号从RF IN端接入时,由驱动电路控制BIASl为低电平,V1导通,V3截止,同时BIAS2控制为高电平,V2截止,V4导通,射频功率被大功率电阻吸收,电路呈大衰减限幅状态;小功率信号从RF IN端接入时,控制BIAS1为高电平,V1截止,V3导通,同时控制BIAS2为低电平,V2导通,V4截止,小信号经过一定限幅后低损直通。V7、V8先导通,对V5、V6呈高阻抗,缩短其导通时间,为V7、V8作反射保护,V5、V6限幅至一定幅度,V7、V8再次降低限幅门限。
在保证功率容量的前提下,前级采用能承受输入大功率信号的PIN二极管,后级逐步衰减。在入射脉冲上升期间,由于低电压管芯I层薄,首先变成低阻抗,因此低电压管芯在脉冲上升初始阶段提供保护。I层较厚的管芯随功率增加逐渐导通。只要有适当的管间距,使导通的二极管对前级二极管呈现高阻抗,缩短前级二级管的导通时间,为大部分功率被前级二极管反射提供保护,防止I层较薄的二极管烧毁。

2 开关限幅器的仿真与测试
2.1 利用ADS软件进行开关限幅电路仿真
利用ADS软件对所要求的指标进行仿真和优化,PIN二极管V1、V2、V3、V4采用MA4P504-302型号,主要参数为Rs最大为0.6 Ω,Cj为0.2pF,最大反偏电压为500V;V5、V6主要参数Rs为4 Ω,Cj为0.1 5pF,最大反偏电压为75V;V7、V8主要参数Rs为4 Ω,Cj为0.1pF,最大反偏电压为30V。通过调节电感量和在PIN管之间由一定长度的微带线连接来满足性能指标。仿真结果如下图所示。

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图3关断时隔离度仿真图

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从仿真结果中可以看出,在220~270MHz频内,输入输出驻波比均小于1.5,插入损耗小于0.5dB,隔离度均大于60dB。
2.2 加工测试结果分析
为了保证开关限幅组件在工作中的接地性完好,将微带板、陶瓷板及衬底用钎焊技术焊接到壳体上,这不仅提高了产品的接地性能,还减小了产品的体积。将驱动电路制作在开关电路的背面,通过穿线孔控制开关电路。
利用失网进行测试,开关工作频率为220~270MHz。经测试,驻波比小于1.2dB,插损小于0.3dB,隔离度大于60dB。由于板材等因素影响,与仿真结果相比,插损偏大,芯片与微带线的互联采用引线键合技术,大大降低了高频下的寄生效应和延迟效应,提高了射频性能。通过测试结果可以看出,其结果满足性能指标。

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3 结论
文章设计了一种工作于220~270MHz频带,基于PIN管的大功率开关限幅器,该开关限幅器具有小功率信号低损耗直通,大功率信号大衰减限幅的良好性能。此组件主要用于接收设备的前端,后续电路可接放大器等器件,用于低噪声放大器,起到保护电路的作用。由于体积、板材等因素的限制,开关并联二极管之间微带线可能达不到1/4波长,组件的性能会受到一定影响,所以版图优化设计与产品小型化将成为以后继续研究的课题。