基于P I N管的开关限幅器仿真与设计

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。

    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。

    图3关断时隔离度仿真图

    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。

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。