一种脉冲功率微波限幅器的设计*

张英浩，周 熹，张信民，张海兵

(南京船舶雷达研究所，南京 210003)

1 引言

作为一种重要的微波控制电路，微波限幅器能对小功率信号几乎无衰减地通过，而对大功率信号却产生很大的衰减。它广泛应用于雷达及通讯系统中的接收机保护，防止接收机或低噪声放大器被大功率输入信号烧毁。在实际系统中，很多雷达系统工作在脉冲状态，发射机泄漏到接收机的信号是脉冲信号，干扰信号一般也是脉冲信号。目前，国内外学者们在限幅器的小型化、宽带化、大功率容量及低泄漏功率等方面有较多的研究［1-4］，而对限幅器承受脉冲功率问题研究较少。在工程实践中设计者通常依靠经验和实验对脉冲功率限幅器进行设计和研制，周期长，效率低。针对上述问题，本文对基于PIN 限幅二极管的脉冲功率限幅器设计进行研究，以满足工程应用需要。

2 原理分析

常见的限幅器一般采用多级PIN 限幅二极管级联，通过多级限幅管逐级限幅以达到较大的功率容量及较低的泄漏功率。由其工作原理及实际工程经验可知，限幅器的功率容量，即最大输入功率，主要取决于第一级PIN 限幅二级管的最大输入功率。一般，厂商提供的PIN 限幅二极管产品手册上只有最大连续波输入功率指标及一种脉宽条件下的最大脉冲输入功率指标，不能满足实际应用中不同脉宽的需要。因此，根据已知条件对任意脉宽下最大脉冲输入功率的求解是脉冲功率限幅器设计的关键。

2.1 热分析

PIN 限幅二级管的最大输入功率限制主要是由管芯的结温和散热限制引起的［5］，当微波大功率信号加到PIN 管时，其结温随时间变化可表示为

其中，t为时间，TS为PIN 管安装的底板温度即环境温度，△TJ(t）为结温变化量。结温变化量可表示为

其中，PIN 管芯消耗功率，PD=k×Pin，Pin为输入功率，k为系数，θJC为热阻，τ为温度时间常数。

图1 △TJ(t）随时间变化

△TJ(t）随时间的归一化变化如图1所示。当微波大功率信号加到PIN 管时，PIN 管芯由于消耗功率产生热量，同时管芯产生热量也向底板传导散热。于是，PIN 管结温随时间推移而上升，6τ 经过时间时，管芯发热和散热达到平衡，PIN 管结温达到最大值。由式(2）和图1 可知，PIN 管达到最高结温由输入功率和管芯的热阻决定，输入功率大，热阻大，则结温高；结温的上升速度与温度时间常数τ 有关，τ 大则结温上升速度慢时间长，τ 大则结温上升速度快时间短。

2.2 最大脉冲输入功率

由PIN 管产品资料可知，PIN 管结温有一定限制，当结温超过允许最大值后，PIN 管就会烧毁损坏，从而限制了PIN 管的最大输入功率。假设输入脉冲功率信号脉宽为tp，PIN 管冷却时间足够(即结温能冷却至底板温度，一般为大于6τ时间［5］），PIN 管允许最大结温为TJMAX，则由式(1）、(2）可得PIN 管最大脉冲输入功率为

由式(3）可知，PIN 管最大脉冲输入功率与最大允许结温、热阻、温度时间常数及脉宽等都有关系。当脉宽tp趋于无穷大，则得PIN 管最大连续波输入功率为

由式(3）、(4）可得最大脉冲输入功率与最大连续波输入功率的关系:

将式(3）和式(5）比较可知，式(3）涉及参数较多，在实际使用中通过式(3）求解最大脉冲输入功率不方便。式(5）相对简单，涉及参数较少，只要知道PIN 管的最大连续波输入功率及温度时间常数就可以。在PIN 管产品手册中一般都给出最大连续波输入功率，温度时间常数将在后面根据已知条件进行求解。

由式(5）可得最大脉冲输入功率随脉宽变化如图2所示。由图2 可知，在选定PIN 管后，PIN 管参数确定，则最大脉冲输入功率只与脉宽有关，随脉宽的增大而减小。

图2 最大脉冲输入功率随脉宽变化

2.3 温度时间常数

温度时间常数τ 是求解PIN 管最大脉冲输入功率的重要参数，温度时间常数可表示为［5］

其中CT为热容。PIN 管厂商一般只提供热阻θJC值，而没有热容CT值，因此应用式(6）对温度时间常数直接求解较困难。然而，PIN 管厂商提供最大连续波输入功率指标及一种脉宽条件下的最大脉冲输入功率指标，因此通过反推导就能得到温度时间常数由式(5）可得

其中PinMAX(tpA）为产品手册上提供的脉宽为tpA时的最大脉冲输入功率。

由以上分析可知，限幅器的最大输入功率取决于第一级限幅，在脉冲功率限幅器设计时，可先采用式(7）求得温度时间常数，再用式(5）对最大脉冲输入功率进行估算，从而选择合适参数的PIN 管，设计出满足应用要求的限幅器。

3 实验电路及测试

研制的限幅器实验电路如图3所示，采用三级限幅，第一级采用Skyworks 公司的CLA 4607-000 PIN 限幅管，第二级采用该公司的CLA 4603-000 PIN 限幅管，第三级采用反向并联肖特基二级管对，使得限幅器具有较小的泄漏功率。由前面分析，限幅器的最大输入功率取决于第一级限幅，CLA 4607-000 最大连续波输入功率6 W(频率1 GHz，环境温度25℃），最大脉冲输入功率60 dBm(频率1 GHz，脉宽1 μs，占空比0.1%，环境温度25 ℃），由式(7）可得CLA 4607-000的温度时间常数约为166 μs，由式(5）可得对于脉宽25 μs 脉冲信号(冷却时间大于），能承受功率43 W。

图3 限幅器实验电路

采用如图4所示测试装置对限幅器进行测试，信号源输出脉冲微波信号经功率放大器放大输入至限幅器，脉冲功率计用于测量限幅器输出泄漏功率。测试中，限幅器输入脉冲功率43 W，频率1 GHz，脉宽25 μs，占空比1%。功率计检得限幅器输出信号功率约12 dBm。测试系统对限幅器实验电路连续测试30 min，限幅器输出信号稳定，电路功能完好。

图4 限幅器测试装置框图

4 结束语

本文提出了一种脉冲功率限幅器设计方法，根据PIN 限幅二极管热损坏原理分析了限幅器最大输入功率限制的原因及影响因素，进而求得PIN 限幅二极管温度时间常数及任意脉宽下最大脉冲输入功率。研制的限幅器实验电路在输入脉冲功率43 W、频率1 GHz、脉宽25 μs、占空比1%条件下工作正常，验证了本设计方法的正确性。本设计方法可用于脉冲限幅器设计，满足脉冲体制雷达等脉冲工作系统中接收机限幅保护应用的需要。

［1］Seong-Sik Yang，Tak-Young Kim，et al.A Novel Analysis of a ku-Band Planar p-i-n Diode Limiter［J］.IEEE Trans.on MTT，2009，57(6）:1447-1460.

［2］Brian M.Coaker，D.Mark Dowthwaite.Planar Limiters and Receiver Protectors［C］.Proceedings of the 4th European Radar Conference，Munich，Germany，October 2007.

［3］钟福如，梁斌.宽带大功率限幅器小型化研究［J］.电子元件与材料，2007，26(7）:66-68.

［4］顾晓春，李苏萍，沈颖娣.宽带微波限幅器模块的研究［J］.电子工程师，2000 (12）:47-48.

［5］skyworks solutions application note.PIN Limiter Diodes in Receiver Protectors.www.skyworksinc.com.