一种基于同轴结构的微波限幅器设计方法

李丰，邓世雄，白锐，王乔楠

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

限幅器是微波毫米波系统中的一种重要的功率控制器件，广泛应用在接收系统前端，起到保护后级电路，防止系统损坏的关键作用。小型化、高集成、低损耗、耐功率高、易安装是微波限幅器重要的发展方向。

微波限幅器的实现形式包括波导、同轴线、微带线、MMIC 等。根据核心器件的不同，限幅器包括气体放电管限幅器、铁氧体限幅器、体效应限幅器和固态器件限幅器。而固态器件限幅器采用PIN 二极管和混合集成电路形式，具有高性能、高可靠、高集成、小型化等诸多优点，是微波毫米波系统中的主要限幅器应用形式。

本文提出一种采用同轴结构实现的固态器件限幅器设计方法。将限幅器封装加工成螺纹结构，实现气密后，再装配到金属同轴结构中。使限幅器不仅具有较好的耐功率指标，还解决了同轴限幅器气密性要求，同时便于安装和使用，极大提高了微波限幅器的应用条件。测试结果表明，300 MHz ～2 000 MHz 频率内，限幅器损耗小于1 dB，驻波小于1.5；可承受峰值超过1 000 W 的功率，泄漏功率小于16 dBm，产品尺寸34 mm×Φ9 mm。该设计方案实现了限幅器的气密性同轴封装结构，性能优良，可靠性高，提升了限幅器的应用范围。

1 限幅电路设计

限幅器要求承受的输入信号为峰值功率1 000 W、脉宽100 μs、占空比0.1%大功率信号。基于性能要求，限幅器设计基于PIN 二极管形式设计。限幅器按PIN 二极管导通原理可分为无源限幅器、半有源限幅器及有源限幅器三种。有源限幅器需要外加同步信号控制PIN 二极管的通断，使用范围有限。无源限幅器利用PIN 二极管的射频调制效应实现PIN 二极管导通，其结构简单，但是受限于PIN 二极管I 区载流子速度，限幅器的工作频率和PIN 二极管的I 层厚度成反比，只能应用于中小功率及低频限幅。半有源限幅器在无源限幅器基础上，通过耦合一定射频功率，利用肖特基管检波使PIN 二极管导通，可拓展I 层较厚的大功率PIN 二极管工作频率。

本文采用半有源式限幅电路形式，通过增加耦合支路，利用耦合器将检波二极管引入到电路的输入端。通过获取一定量的信号功率，使检波二极管产生一定的直流信号，反馈到PIN 二极管上，使其充分地导通，从而增加限幅能力。

为降低泄露功率，采用多级限幅二极管才可使限幅电路的泄露功率较低。本设计采用两级限幅结构，前级选用I 层较厚的四个大功率PIN 二极管芯并联结构，以承受输入大功率；第二级使用无源限幅结构，采用GaAs 芯片制作的PIN对管结构，降低输出功率。限幅器电路原理图如图1所示。

图1 限幅电路原理图

第一级采用Skyworks 公司的PIN 限幅二极管CLA4607，其为Si 基管芯，I 层厚度7 μm，输入P-1 可达到20 dBm@1 GHz，正向导通电阻Rs 为2 Ω@10 mA。第二级采用自主研发的PIN 限幅器芯片BWN287，其为GaAs 基芯片，I 层厚度1.2 μm，输入P-1 可达到11 dBm@1 GHz，正向导通电阻Rs 为3 Ω@10 mA，耐功率大于5 W（连续波），漏功率小于16 dBm。

当信号由输入端进入耦合器后，耦合信号进入检波二极管，通过RC 积分电路得到一定的直流分量，通过扼流电感加载到PIN 二极管上，加速二极管导通，提高整体耐功率能力。GaAs 限幅芯片采用GaAs PIN 对管，PIN 和NIP 两种二极管做在一个GaAs 芯片上，开启电压1.2 V，钳位电压2.2 V，可以保证整体限幅电路泄漏功率＜16 dBm。电路中隔直电容为1 nF，扼流电感为330 nH，满足工作频率300 MHz 起始要求，RC 积分电路中电阻电容分别为1 kΩ 和100 pF，在保证电路匹配的前提下，将积分时间常数降低，缩短恢复时间。经过仿真设计，限幅器损耗小于1 dB，驻波小于1.5，泄漏功率小于16 dBm，满足设计要求。

2 限幅器结构设计

2.1 限幅器气密封装设计

限幅器气密封装采用铝合金材料，其重量轻，导热性好，外形如图2所示。封装的输入输出端采用射频绝缘子形式，利用焊接技术固定并实现密封。限幅器电路装配到封装内部后，封装盖板采用激光封装保证限幅器封装的气密性。限幅器封装的输入前端，外形加工成螺纹形状，其尺寸与同轴封装内部螺纹相配合，可紧密旋入并接触良好。限幅器气密封装尺寸为11 mm×7 mm×4.5 mm，封装上下面采用平面结构，可以实现气密封焊，便于装配，同时装入同轴封装内部时作为旋转助力面使用。

图2 气密封装外形示意图

限幅电路基板采用氮化铝薄膜基板，其线条精度高，散热性好。限幅电路采用混合集成电路工艺进行实现，功率较高PIN 二极管芯和GaAs 芯片都采用金锡烧结至电路基板，氮化铝基板利用导电胶粘贴到封装底部。输入输出采用金带连接到封装上的射频绝缘子，其余管芯采用金丝互联。

2.2 同轴封装结构设计

同轴SMA 系列机构是一种非常实用的连接结构模式，它体积小，机械性能优越，可靠性高，便于安装。本文利用同轴结构实现限幅器架构，可提高限幅器的应用环境和使用特点。

同轴封装结构分为两部分，一部分是SMA-KK 结构，一部分是SMA-KJ 结构。SMA 每部分都由外导体、内导体和介质支撑等组成。通过SMA 结构设计，实现50 Ω特性阻抗，与限幅器封装输入输出端匹配。同轴外壳采用不锈钢材质，介质支撑采用聚四氟乙烯材质，内导体采用铍青铜材料。

设计同轴SMA 结构时，应遵循以下要求：

（1）同轴内部阻抗要保持一致，内导体横截面尽可能使特性阻抗等于标称值。

（2）内导体长度应控制好误差，防止输入和输出端插入的绝缘子互相碰撞。同时内导体做好变径设计，防止绝缘子松动。

（3）尽量减小机械公差对电性能的影响。设计时合理控制尺寸公差，提高加工精度，保证零部件的一致性。

同轴封装主要材质是不锈钢、聚四氟乙烯、铍青铜等。在经受各类环境试验如温度冲击、高温贮存、老炼试验时，由于膨胀系数的不同，各类材料会发生一定的变化，影响结构尺寸面的形变。因此，在设计产品时需要通过对介质支撑材料进预处理，完善支撑面尺寸公差和焊接工艺及流程。保证产品安装后，尺寸面一致性较高，历经试验时形变量最小。

同轴封装SMA-KK 结构，主要实现信号输入和连接限幅器封装输入端的作用。两端口都采用SMA-K 形式，内导体为可伐材质的插孔结构。信号由信号输入端进入同轴封装，通过内导体传输到内部输入端，其与限幅器封装的输入端连接，使信号进入限幅器封装。同轴封装SMA-KJ 结构，主要实现信号输出和连接限幅器封装输出端的作用。信号输出端采用SMA-K 形式，内部输出端采用SMA-J 形式，内导体为可伐材质的插孔结构。内部输出端与限幅器封装的输出端连接，信号通过内导体由信号输出端输出。同轴封装结构示意图由图3所示。

图3 同轴封装结构示意图

2.3 同轴封装限幅器装配

同轴封装限幅器装配时，先将限幅器封装内部输入端旋入同轴封装SMA-KJ 结构的内部输出端。使限幅器封装的输出射频绝缘子准确插入到同轴封装SMA-KJ 的内导体后，再继续旋入限幅器封装使其与同轴封装紧密连接。再将同轴封装SMA-KK 结构的内部输入端的内导体对准限幅器的输入端绝缘子，将SMA-KK 内部输入端旋入同轴封装SMA-KJ结构内并紧固。同轴封装限幅器的装配示意图如图4所示。

图4 同轴封装限幅器装配示意图

3 测试结果和性能分析

对同轴限幅器进行指标测试，测试频率范围为300 MHz ～2 000 MHz，输入功率条件为脉宽100 μs，占空比0.1%，峰值功率1 000 W。经过测试，限幅器损耗小于1 dB，驻波小于1.5，泄漏功率小于16 dBm，仿真与测试结果基本吻合。结温台测试二极管平均温升小于5 ℃，产品常温测试5 分钟，管壳温升小于10 ℃。通过结温测试，验证了本产品的可靠性和较好的环境适应性。测试曲线如图5所示，同轴限幅器实物图如图6所示，产品尺寸34 mm×Φ9 mm。

图5 同轴限幅器测试曲线

图6 同轴封装限幅器实物图

4 结 论

本文设计了一种基于同轴封装的微波限幅器结构。该设计方案可实现气密封装，且连接端口为SMA 形式，便于使用和安装。产品体积小，性能优良，在300 MHz ～2 000 MHz 范围内，可承受峰值1 000 W 的脉冲功率，产品体积仅为34 mm×Φ9 mm。实现了限幅器的气密性同轴封装结构，可靠性高，提升了限幅器的应用范围。