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    基于P I N管的開關限幅器仿真與設計
    來源:武華科技   發布時間:2016-03-18  瀏覽數:2798    【收藏本頁】

    [導讀]摘要:隨著通信系統發射功率的增加,高功率容量、高隔離度、低插損、短響應時間的射頻開關限幅對其后續電路的保護尤其重要。文章主要介紹了PIN管射頻開關限幅的原理,設計了一個工作于220~270MHz,插入損耗小于0.5

    摘要:隨著通信系統發射功率的增加,高功率容量、高隔離度、低插損、短響應時間的射頻開關限幅對其后續電路的保護尤其重要。文章主要介紹了PIN管射頻開關限幅的原理,設計了一個工作于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,開關時間小于1μs的大功率開關限幅器。該開關限幅器具有小信號低損耗直通,大信號大衰減限幅的特點。利用ADS仿真軟件對其仿真,并對加工出來的開關限幅器進行了測試,結果驗證了各項指標滿足要求。
    關鍵詞:PIN開關;開關限幅;ADS;插入損耗;隔離度

    0 引言
    隨著雷達接收、電子對抗、航天電子產品、微波通訊的飛速發展,開關限幅器越來越得到廣泛的應用,大功率的開關限幅器也正基于這種需要,對大功率信號進行通斷控制和限幅,以保護后續電路的可靠工作。
    本開關限幅組件作為整機接收前端的自動保護裝置,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低損耗直通的工作特點,必須具有可以承受高達數百瓦大功率微波信號的能力,這都是通過開關限幅組件中的PIN二極管來實現。

    1 開關限幅器的設計
    1.1 原理簡介
    本開關限幅組件前端采用單刀雙擲吸收式開關。一端輸出接大功率負載,另一端輸出接限幅電路。當有大功率信號接入時,PN開關打到大功率負載處,信號全部吸收,組件呈大衰減限幅狀態。
    當小功率信號時,PIN開關打到限幅電路,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,信號進行一定電平限幅,小信號低損直通。
    1.2 電路設計
    在同步承受300W的峰值功率下,設計了如圖1所示的電路圖。

    a.JPG


    C1、C4、C6、C7是大功率耦合隔直電容器,V1、V2、V3、V4是大功率PIN開關二極管,L1、L2、L3是扼流圈,C2和L1、L2和C3、L3和C5組成一個低通濾波器。R1、C2、L1組成匹配濾波,BIAS1、BIAS2為偏置電壓,由驅動電路提供。R2、R3為上拉電阻,限流保護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,由驅動電路控制BIASl為低電平,V1導通,V3截止,同時BIAS2控制為高電平,V2截止,V4導通,射頻功率被大功率電阻吸收,電路呈大衰減限幅狀態;小功率信號從RF IN端接入時,控制BIAS1為高電平,V1截止,V3導通,同時控制BIAS2為低電平,V2導通,V4截止,小信號經過一定限幅后低損直通。V7、V8先導通,對V5、V6呈高阻抗,縮短其導通時間,為V7、V8作反射保護,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。I層較厚的管芯隨功率增加逐漸導通。只要有適當的管間距,使導通的二極管對前級二極管呈現高阻抗,縮短前級二級管的導通時間,為大部分功率被前級二極管反射提供保護,防止I層較薄的二極管燒毀。

    2 開關限幅器的仿真與測試
    2.1 利用ADS軟件進行開關限幅電路仿真
    利用ADS軟件對所要求的指標進行仿真和優化,PIN二極管V1、V2、V3、V4采用MA4P504-302型號,主要參數為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Rs為4 Ω,Cj為0.1 5pF,最大反偏電壓為75V;V7、V8主要參數Rs為4 Ω,Cj為0.1pF,最大反偏電壓為30V。通過調節電感量和在PIN管之間由一定長度的微帶線連接來滿足性能指標。仿真結果如下圖所示。

    b.JPG


    圖3關斷時隔離度仿真圖

    c.JPG


    從仿真結果中可以看出,在220~270MHz頻內,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 加工測試結果分析
    為了保證開關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焊接到殼體上,這不僅提高了產品的接地性能,還減小了產品的體積。將驅動電路制作在開關電路的背面,通過穿線孔控制開關電路。
    利用失網進行測試,開關工作頻率為220~270MHz。經測試,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,與仿真結果相比,插損偏大,芯片與微帶線的互聯采用引線鍵合技術,大大降低了高頻下的寄生效應和延遲效應,提高了射頻性能。通過測試結果可以看出,其結果滿足性能指標。

    d.JPG

    e.jpg



    3 結論
    文章設計了一種工作于220~270MHz頻帶,基于PIN管的大功率開關限幅器,該開關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備的前端,后續電路可接放大器等器件,用于低噪聲放大器,起到保護電路的作用。由于體積、板材等因素的限制,開關并聯二極管之間微帶線可能達不到1/4波長,組件的性能會受到一定影響,所以版圖優化設計與產品小型化將成為以后繼續研究的課題。

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