基于P I N管的開關(guān)限幅器仿真與設(shè)計(jì)

摘要：隨著通信系統(tǒng)發(fā)射功率的增加，高功率容量、高隔離度、低插損、短響應(yīng)時(shí)間的射頻開關(guān)限幅對其后續(xù)電路的保護(hù)尤其重要。文章主要介紹了PIN管射頻開關(guān)限幅的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于220～270MHz，插入損耗小于0．5dB，隔離度大于60dB，駐波比小于1．5dB，功率容量300W，開關(guān)時(shí)間小于1μs的大功率開關(guān)限幅器。該開關(guān)限幅器具有小信號低損耗直通，大信號大衰減限幅的特點(diǎn)。利用ADS仿真軟件對其仿真，并對加工出來的開關(guān)限幅器進(jìn)行了測試，結(jié)果驗(yàn)證了各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。
關(guān)鍵詞：PIN開關(guān)；開關(guān)限幅；ADS；插入損耗；隔離度

0 引言
    隨著雷達(dá)接收、電子對抗、航天電子產(chǎn)品、微波通訊的飛速發(fā)展，開關(guān)限幅器越來越得到廣泛的應(yīng)用，大功率的開關(guān)限幅器也正基于這種需要，對大功率信號進(jìn)行通斷控制和限幅，以保護(hù)后續(xù)電路的可靠工作。
    本開關(guān)限幅組件作為整機(jī)接收前端的自動保護(hù)裝置，具有在大功率信號下大衰減限幅，在小功率信號下快速恢復(fù)低損耗直通的工作特點(diǎn)，必須具有可以承受高達(dá)數(shù)百瓦大功率微波信號的能力，這都是通過開關(guān)限幅組件中的PIN二極管來實(shí)現(xiàn)。

1 開關(guān)限幅器的設(shè)計(jì)
1．1 原理簡介
    本開關(guān)限幅組件前端采用單刀雙擲吸收式開關(guān)。一端輸出接大功率負(fù)載，另一端輸出接限幅電路。當(dāng)有大功率信號接入時(shí)，PN開關(guān)打到大功率負(fù)載處，信號全部吸收，組件呈大衰減限幅狀態(tài)。
    當(dāng)小功率信號時(shí)，PIN開關(guān)打到限幅電路，第一級采用I層較厚的PIN管，以承受較大的功率，后級I層厚度遞減，使限幅門限降低，信號進(jìn)行一定電平限幅，小信號低損直通。
1．2 電路設(shè)計(jì)
    在同步承受300W的峰值功率下，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電路圖。

    C1、C4、C6、C7是大功率耦合隔直電容器，V1、V2、V3、V4是大功率PIN開關(guān)二極管，L1、L2、L3是扼流圈，C2和L1、L2和C3、L3和C5組成一個(gè)低通濾波器。R1、C2、L1組成匹配濾波，BIAS1、BIAS2為偏置電壓，由驅(qū)動電路提供。R2、R3為上拉電阻，限流保護(hù)PIN管，R4為大阻值吸收電阻。V5、V6、V7、V8是限幅二極管，V5、V6采用高電壓管芯(I層較厚)的PIN管，同向并聯(lián)在一起，等分頻電流，提高功率承受能力，V7、V8采用低電壓管芯(I層厚度較小)的PIN管。
    大信號從RF IN端接入時(shí)，由驅(qū)動電路控制BIASl為低電平，V1導(dǎo)通，V3截止，同時(shí)BIAS2控制為高電平，V2截止，V4導(dǎo)通，射頻功率被大功率電阻吸收，電路呈大衰減限幅狀態(tài)；小功率信號從RF IN端接入時(shí)，控制BIAS1為高電平，V1截止，V3導(dǎo)通，同時(shí)控制BIAS2為低電平，V2導(dǎo)通，V4截止，小信號經(jīng)過一定限幅后低損直通。V7、V8先導(dǎo)通，對V5、V6呈高阻抗，縮短其導(dǎo)通時(shí)間，為V7、V8作反射保護(hù)，V5、V6限幅至一定幅度，V7、V8再次降低限幅門限。
    在保證功率容量的前提下，前級采用能承受輸入大功率信號的PIN二極管，后級逐步衰減。在入射脈沖上升期間，由于低電壓管芯I層薄，首先變成低阻抗，因此低電壓管芯在脈沖上升初始階段提供保護(hù)。I層較厚的管芯隨功率增加逐漸導(dǎo)通。只要有適當(dāng)?shù)墓荛g距，使導(dǎo)通的二極管對前級二極管呈現(xiàn)高阻抗，縮短前級二級管的導(dǎo)通時(shí)間，為大部分功率被前級二極管反射提供保護(hù)，防止I層較薄的二極管燒毀。

2 開關(guān)限幅器的仿真與測試
2．1 利用ADS軟件進(jìn)行開關(guān)限幅電路仿真
    利用ADS軟件對所要求的指標(biāo)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，PIN二極管V1、V2、V3、V4采用MA4P504-302型號，主要參數(shù)為Rs最大為0．6 Ω，Cj為0．2pF，最大反偏電壓為500V；V5、V6主要參數(shù)Rs為4 Ω，Cj為0．1 5pF，最大反偏電壓為75V；V7、V8主要參數(shù)Rs為4 Ω，Cj為0．1pF，最大反偏電壓為30V。通過調(diào)節(jié)電感量和在PIN管之間由一定長度的微帶線連接來滿足性能指標(biāo)。仿真結(jié)果如下圖所示。

    圖3關(guān)斷時(shí)隔離度仿真圖

    從仿真結(jié)果中可以看出，在220～270MHz頻內(nèi)，輸入輸出駐波比均小于1．5，插入損耗小于0．5dB，隔離度均大于60dB。
2．2 加工測試結(jié)果分析
    為了保證開關(guān)限幅組件在工作中的接地性完好，將微帶板、陶瓷板及襯底用釬焊技術(shù)焊接到殼體上，這不僅提高了產(chǎn)品的接地性能，還減小了產(chǎn)品的體積。將驅(qū)動電路制作在開關(guān)電路的背面，通過穿線孔控制開關(guān)電路。
    利用失網(wǎng)進(jìn)行測試，開關(guān)工作頻率為220～270MHz。經(jīng)測試，駐波比小于1．2dB，插損小于0．3dB，隔離度大于60dB。由于板材等因素影響，與仿真結(jié)果相比，插損偏大，芯片與微帶線的互聯(lián)采用引線鍵合技術(shù)，大大降低了高頻下的寄生效應(yīng)和延遲效應(yīng)，提高了射頻性能。通過測試結(jié)果可以看出，其結(jié)果滿足性能指標(biāo)。

3 結(jié)論
    文章設(shè)計(jì)了一種工作于220～270MHz頻帶，基于PIN管的大功率開關(guān)限幅器，該開關(guān)限幅器具有小功率信號低損耗直通，大功率信號大衰減限幅的良好性能。此組件主要用于接收設(shè)備的前端，后續(xù)電路可接放大器等器件，用于低噪聲放大器，起到保護(hù)電路的作用。由于體積、板材等因素的限制，開關(guān)并聯(lián)二極管之間微帶線可能達(dá)不到1／4波長，組件的性能會受到一定影響，所以版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品小型化將成為以后繼續(xù)研究的課題。