摘要：本文介绍了一款低泄漏功率的宽带限幅器模块的设计方法，使用软件进行电路仿真并制作了模块，尺寸为13*13*5mm。在100~2500 MHz范围内，小信号插入损耗小于0.7dB，输入输出驻波比小于1.3，输出泄漏功率小于6dBm，耐功率大于1W，具有工作频带宽，泄漏功率很低，损耗小等优点。 关键词：宽带，限幅器，低泄漏
Design of a broadband limiter module with low-leak-power
Abstract:This paper introduces the design methods of a broadband limiter module with low leakage power. Circuit simulation is carried out and module circuit is made,andthe package size is 13*13*5mm.Within the working frequency of 100～2500MHz,the performances of the module: the small signal intertion loss is less than 0.7dB,the input-output VSWR is less than 1.3,the output leakage power is less than 6dBm,and the maximum input power is more than 1W.The module has the characteristics of wide bandwidth,very low leakage power and low intertion loss.
Keywords:broadband,limiter,low leakage power
引言
限幅器是无线接收系统的重要组成部分，位于接收链路的前端，限幅器的主要作用是限制天线端接收的信号幅度，保护后级电路不被功率烧毁，从而保护整个接收系统。近年来，限幅器的研究主要集中于高功率限幅模块[1]和微波集成电路[2]方面，而低泄露的限幅器却鲜有报道，主要原因是低泄露限幅器的应用场合较为有限，且集成度不高，相对研究热度不高。
针对某些特殊敏感接收链路或者ADC的保护要求，本文报道了一种基于PIN管和SBD（肖特基势垒二极管）混合集成的电路方式，采用多级级联设计了一款超低泄露电平的限幅器模块。
1限幅器的机理与结构
61850 mms常见的限幅机理：①、如肖特基势垒二极管等，利用整流削波效应，实现将输入大功率信号削至较小的功率水平，从而实现较高的限幅隔离度[3]；②、PIN管在射频电导率调制下，
在大功率信号输入时，呈现出电阻态，可以很好的反射输入功率，从而起到类似开关关断隔离的效果。
PIN管作为限幅器的主流应用，其在不同功率、不同频率场合衍生出多种不同的用法。传统的PIN管主要使用Si工艺实现，其在耐功率、热阻、小信号插损方面表现优异。SBD因为其优异的整流效应，也可以用于限幅器设计中，其金属与半导体直接接触的方式决定了其载流子寿命极短，势垒较低，从而导致整流后的泄露功率较低，适用于低泄露限幅器的设计中]4][5]。
2限幅器模块设计
针对超低泄露功率要求，并且要求限幅器能够承受一定的中功率，本设计采用PIN管限幅和SBD限幅或者级联的方式[6]，PIN管限幅主要实现承受较大的功率，SBD限幅主要实现超低的泄露输出。
本设计采用硅基的PIN管和SBD进行限幅设计，采用三级限幅结构，第一级采用无源PIN对管限幅，将输入功率限幅至较小范围内，第二级和第三级采用SBD对管限幅的形式，可以有效地将输出功率降低至较低的范围内。
2.1 第一级限幅器设计
本设计的主要目的是实现极低的泄露功率同时能够具有一定的耐功率能力，目标是能够实现在100-2500MHz频率范围内，耐功率1W，泄露功率0dBm左右。耐功率1W对I层厚度的要求较低，只需要I=1um左右，结电容Cj较小即可。采用对管设计，这种设计优势在于其一可以提高限幅器能够承受的功率，其二对管可以在射频调制时形成直流回路，无需外部加电感等提供直流通路。选择南京电子器件研究所研制的PIN管：反向击穿电压VR=30V，结电容Cj=0.1pF，串联电阻Rs0=2.5Ω，载流子寿命 =5ns，热阻Rth=200℃/W。
当I区宽度窄得可以与载流子扩散长度相比拟时，由射频微波调制电流激发所致的PIN管I区的电阻可以简化为：=/20，2.5GHz下，30dBm功率输入时，所选管芯的等效串联电阻为：RI=0.79Ω。由于射频调制下的I层电阻很小，所以已经接近于直流调制，所以此时的管芯电阻近似为直流调制时的串联电阻。
根据PIN管芯的相关参数，可以计算出并联结构PIN管的总吸收功率:
P=4Rs*Pin/Z0，这里由于受到射频调制的影响，Rs≈Rs0；
可以得到当输入功率为30dBm时，由于采用对管限幅，单颗PIN管芯承受的功率为0.5W，那么管芯上耗散的功率为：PDM=0.1W；计算管芯的温升：ΔT= Rth * PDM=20℃。在环境温度为85℃的高温条件下，PIN管结温为105℃，而PIN管允许的最高结温为175℃，限幅器设计降额要求，设计余量充分。
溶洞处理
测试该管芯的限幅输出功率，在输入功率30dBm时，对管限幅泄露输出功率为15dBm左右。
2.2 第二、三级限幅器设计
本设计第二级和第三级均采用SBD对管限幅的形式，选择SBD对管限幅具体有以下几点因素：
①PIN管芯最薄的I层在1um-2.5um之间，其在Pin＞5dBm时才能实现弱限幅功能，当输入功率小于5dBm，目前所有PIN管芯都不具备限幅功能。SBD开启电压低，可以实现0.3V以下，在输入功率0dBm左右时就可以实现开启，实现限幅功能。
②SBD限幅原理提到：SBD对管限幅隔离度主要受限于开启电压，只要开启电压足够小，理论上可以实现很高的限幅隔离度，所以选择合适的SBD管，它可以实现较高的隔离度，从而使得限幅输出功率极低。
③SBD是利用金属与半导体接触形成的表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管，与PIN管相比，它贮存电荷效应很小、开关速度很快，所以不会成为制约限幅器恢复时间的短板。水三相点瓶
SBD虽然有以上优点，但是缺点也很明显，主要缺点就是耐功率不高。本设计选择的SBD管芯：正向压降VF=240mV，结电容CJ=0.35pF，反向击穿电压VBR=2V，微分电阻RF=5Ω。
由于第一级限幅器最大泄露功率为15dBm，那么附加至第二级SBD上的射频峰值电压最高为1.7V，小于SBD的击穿电压，不会导致SBD击穿。而该SBD开启电压只有240mV，能够实现很高的限幅隔离度，可以在0dBm左右实现限幅功能。但是SBD限幅隔离度不仅仅取决于开启电压，还与SBD本身的串联电阻有关，通过两级SBD对管限幅的方式，可以有效减小本身的串联电阻，从而可以增加限幅隔离度。
2.3 整体电路仿真
整体电路版图布局如图2所示，每级限幅器均采用对管的形式。
图2 电路原理图 | 植绒胶 图3 限幅二极管小信号模型 |
| ab胶管 |
小信号下PIN管和SBD均可以简化模型如图3所示，Rs代表串联电阻，RJ代表结电阻，Cj代表结电容，LS和CP分别代表寄生电感和封装电容，对于裸芯片可以这两个参数可以忽略。
采用软件建立限幅器电路小信号模型，通过仿真优化，仿真结果显示限幅电路常温下损耗小于0.7dB，输入输出驻波小于1.5，可完全满足设计要求。
图4电路结构仿真结果
冰浆机3模块制作和测试
根据以上的设计仿真结果，加工限幅器模块，结果如图5所示。由图中结果可以看出，在100-2500MHz频段内，满足技术指标要求。模块测试结果与仿真结果基本吻合，但存在一定的误差，分析误差主要是由于电路中的电容和电感寄生参数未考虑在内，同时，评估板以及测试焊接的SMA接头存在一定的损耗。
(a)限幅器模块测试架实物图 | (b)输入输出驻波比 |
(c)插入损耗 | (d)限幅输出功率 |
| |
图5 限幅器模块测试结果
4结论
本文设计了一种宽带低泄露限幅器模块，其应用频带宽、插入损耗小，适用于100~2500MHz范围内接收前端的保护。模块还具有泄露功率极低的特点，整个频带内泄露功率低于6dBm，部分频段的泄露功率甚至可以低于0dBm，适用于各种低泄露的系统中，同样对于特殊敏感接收场景的限幅设计也提供较好的思路。
参考文献
[1]Fan Lu;Lianggui Wei;Botao Ye;Changyou Li.Research and Design of Broadband High Power Limiter.2022 IEEE 9th international symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications(MAPE).Chengdu,China. 2022.22236576.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议