專利名稱：：寬帶微波大功率限幅器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及限輻器
技術(shù)領(lǐng)域：
，確切地說涉及一種寬帶微波大功率限輻器。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代無線技術(shù)的發(fā)展，空間信號的復(fù)雜、多樣性，使一些較大的干擾信號能被天線直接接收而進(jìn)入接收機(jī)中，若接收機(jī)前級沒有任何保護(hù)措施，較大的干擾信號就會將接收機(jī)中的低噪放燒毀，從而造成接收機(jī)的損壞。另一種情況是在收發(fā)組件中，發(fā)射與接收之間僅用一環(huán)行器隔離，由于環(huán)行器隔離有限，當(dāng)發(fā)射時漏過的較大功率直接進(jìn)入接收機(jī)中燒毀接收機(jī)中的低噪放，從而造成組件損壞。為了保護(hù)低噪放等功率靈敏器件不被損壞，通常在這些器件前加一個限幅器進(jìn)行保護(hù)。微波集成限幅器是一種自控衰減器。理想的限幅器在低輸入功率時沒有衰減，當(dāng)輸入的微波信號功率增長到規(guī)定功率時，產(chǎn)生很大衰減，這個規(guī)定值稱為門限電平，此后輸入功率再繼續(xù)加大時，輸出功率仍保持恒定。要求限幅器的門限電平必須小于接收機(jī)能承受的燒毀功率。此外，限幅器也用于掃頻信號振蕩器或相位檢測系統(tǒng)中，用來減小信號的幅度波動。1.限幅器主要技術(shù)指標(biāo)(1)限幅電平當(dāng)輸入功率超過某一數(shù)值后，衰減顯著增加，輸出開始穩(wěn)定。此一輸出功率值稱為限幅電平。(2)插入損耗在系統(tǒng)中接入限幅器后，正常小信號輸入時，對傳輸信號的損耗稱為限幅器插入損耗。(3)電壓駐波比反映輸入信號電平遠(yuǎn)低于門限電平時，限幅器的端口的匹配狀況。(4)承受功率反映限幅器的功率承受能力。也可稱為功率容量或耐功率。2.限幅器工作原理PIN二極管限幅器工作狀態(tài)和PIN二極管開關(guān)工作狀態(tài)有一定類似之處。作開關(guān)應(yīng)用時是外加直流電流，使i層注入載流子，從而降低i層阻抗，使PIN管導(dǎo)通。限幅工作狀態(tài)下，工作點為0伏，當(dāng)外加微波信號很小時，微波對零偏的i層原有載流子濃度影響不大，PIN仍處于高阻狀態(tài)，限幅器對微波信號沒有衰減。微波信號逐漸加強(qiáng)，在微波交流信號正半周時，空穴和電子從i層兩側(cè)向i層注入，使i層兩側(cè)充滿載流子；在微波負(fù)半周，i層中的載流子又向流出i層的方向返回運動。但由于載流子濃度有梯度分布，在負(fù)半周開始時，有一部分載流子仍要向i層中央擴(kuò)散。此外由于載流子壽命遠(yuǎn)比微波信號周期要長，在負(fù)半周內(nèi)來不急復(fù)合，結(jié)果在負(fù)半周結(jié)束時，i層內(nèi)殘留一部分載流子。經(jīng)過幾個周期之后，i層中保持有一定數(shù)量的載流子，形成某種穩(wěn)態(tài)分布，使i層電阻減小，從而對微波信號產(chǎn)生衰減。現(xiàn)有技術(shù)中的限輻器，存在以下缺點1、受限輻器體積大小的限制，頻段的擴(kuò)展能力較差，由于現(xiàn)有限輻器產(chǎn)品本身頻段較寬，兼顧低端往高端擴(kuò)展或兼顧高端往低端擴(kuò)展均有限。2、受產(chǎn)品長度影響，各PIN二極管之間不能滿足4，且級數(shù)有限，限幅泄漏功率擴(kuò)4展能力有限。3、受產(chǎn)品體積大小的限制，散熱面積差，承受功率擴(kuò)展能力有限。
實用新型內(nèi)容為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提出了一種體積小，工作頻率低并能實現(xiàn)較低功率泄漏和插入損耗的寬帶微波大功率限幅器，本實用新型與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，工作頻率及限輻電平指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)外類似產(chǎn)品，具有0.l-2GHz的超寬工作頻帶，承受峰值功率大。本實用新型是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的—種寬帶微波大功率限幅器，其特征在于包括五個并聯(lián)的PIN二極管和四個并聯(lián)的肖特基檢波二極管，PIN二極管和肖特基檢波二極管均安裝在介電常數(shù)為10.2的電路基片上，多個PIN二極管級聯(lián)，每兩個級聯(lián)的PIN二極管之間均由微帶線、引線電感和分布電容構(gòu)成等效于^4的電長度。84所述限輻器的工作頻率為0.l-2GHz，工作頻帶在20倍頻以上。本實用新型的優(yōu)點表現(xiàn)在1、本實用新型與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，工作頻率及限輻電平指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)外類似產(chǎn)品，外形為金屬微封裝表貼式，外形尺寸13.5x6.25x3mm3，具有使用安裝方便等特點。2、本實用新型采用多個PIN二極管級聯(lián)，介電常數(shù)為10.2的電路基片，從而縮短了傳輸線長度，也就減小了封裝體積，頻段的擴(kuò)展能力強(qiáng)，散熱面積好，承受功率擴(kuò)展能力強(qiáng)。3、本實用新型具有超寬工作頻帶(0.lGHz2GHz)，采用5級PIN二級管并聯(lián)(VIV3)和4只肖特基檢波二極管并聯(lián)(DlD4)，電路基片選用高介電常數(shù)的復(fù)合介質(zhì)基片，集中參數(shù)和分布參數(shù)相結(jié)合的設(shè)計方法，使用并聯(lián)電路方式，通過匹配優(yōu)化實現(xiàn)阻抗匹配及寬帶性能。4、本實用新型承受峰值功率大(200W，脈寬1iiS，占空比1%。)。對前級PIN二極管的功率承受能力進(jìn)行了分析研究，在保證承受功率有一定的盈余量的前提下，合理選擇前級PIN二極管及其后級各級合理的搭配，運用ADS設(shè)計軟件進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計，確保電路既滿足承受功率能力，又滿足小信號參數(shù)指標(biāo)。5、本實用新型由微帶線、引線電感和分布電容構(gòu)成等效于44的電長度，限幅84泄漏功率低至30mW(0.52GHz)、50mW(0.10.5GHz))。6、插入損耗小(0.8dB)。下面將結(jié)合說明書附圖和具體實施方式對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，其中圖1為本實用新型電路原理圖圖2為限輻器特性曲線圖圖3a為利用PIN二極管的寄生參數(shù)結(jié)構(gòu)圖圖3b為圖3a中俯視圖圖4為PIN二極管的等效電路圖圖5為小功率輸入時等效電路圖圖6為大功率輸入時等效電路圖圖7為PIN限輻器的T型節(jié)圖8a為兩只PIN二極管級聯(lián)的限輻器示意圖圖8b為圖8a中俯視圖圖9a為級聯(lián)后小電平輸入時等效電路圖圖9b為級聯(lián)后高功率輸入時等效電路圖圖10為圖9b中高功率簡化等效電路圖圖11限輻器外形尺寸圖圖12為圖11中俯視結(jié)構(gòu)示意圖圖中標(biāo)記V1-V5、PIN二極管，D1-D4、肖特基檢波二極管，1、引線電感，2、PIN管芯，3、電路基片，4、金屬地板，5、微帶線，6、介質(zhì)，7、50Q導(dǎo)體，8、接地板，9、接地線圈。具體實施方式本實用新型工作頻率在2GHz以下，工作頻帶在20倍頻程以上，因降低限幅電平的需要，設(shè)計中采用多級PIN二極管并聯(lián)再加多級肖特基檢波二極管實現(xiàn)，設(shè)計電原理圖見圖1所示采用5級PIN二級管并聯(lián)(VIV5)和4只肖特基檢波二極管并聯(lián)(DlD4)，電路基片3選用高介電常數(shù)的復(fù)合介質(zhì)基片。采用集中參數(shù)和分布參數(shù)相結(jié)合的設(shè)計方法，使用并聯(lián)電路方式，通過匹配優(yōu)化實現(xiàn)阻抗匹配及寬帶性能。本實用新型的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>[0049]本實用新型同國內(nèi)外其他產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)對比如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>[0051]為了實現(xiàn)寬帶性能，必須盡量減小PIN管的寄生參數(shù)，直接采用管芯技術(shù)，并利用管芯的寄生參數(shù)使之成為有用的電路元件。小信號狀態(tài)單只管芯等效為一T型低通濾波器，合理選擇PIN二極管的結(jié)電容Cj和引線電感Ls的大小，就能使低通網(wǎng)絡(luò)具有很寬的工作帶寬。大信號輸入時，由于PIN二極管的電導(dǎo)調(diào)制作用，二極管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，呈現(xiàn)一極低阻抗、等效為正向電阻Rs，此時，電路的影象阻抗與傳輸阻抗失配，對入射信號產(chǎn)生較大的反射只有極小信號漏過。由影象參數(shù)法計算對入射信號功率的衰減分貝數(shù)，可估算一只管芯的隔離通常僅有十幾分貝。計算表明一只管芯隔離不能滿足要求，必須采用多只管芯級聯(lián)、并有一定管間間距才能提高隔離度，降低泄漏功率電平。XVJX2001體積要求小、工作頻率較低，采用高介電常數(shù)的基片，對前級大功率PIN二極管芯采用寬金帶鍵合，對后級小功率PIN二極管芯采用金絲鍵合，電路的級數(shù)、PIN二極管的數(shù)量以及管芯的各項參數(shù)指標(biāo)應(yīng)針對不同的電路參數(shù)要求綜合平衡，優(yōu)化設(shè)計確定。1、限幅器的功能限幅器是這樣一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它對小功率信號幾乎無衰減地通過，而對大功率信號卻產(chǎn)生大的衰減，信號愈強(qiáng)衰減越大，限幅特性如圖2所示。當(dāng)信號較弱時，電路的衰減很小；而當(dāng)信號大于某一門限值后，電路的衰減顯著增加，以致能近似保持輸出功率不變。但當(dāng)信號過強(qiáng)時，二極管燒毀，輸出功率顯著增大。2、為實現(xiàn)帶寬要求，必須利用管子的寄生參數(shù)，將之看成是有用的電路元件，結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)小信號輸入時，PIN二極管呈高阻狀態(tài)，Rj相當(dāng)大(如圖4所示)，串聯(lián)電阻Rs很小，故可等效為一無耗T型低通濾波器，如圖5所示。合理選擇PIN二極管的結(jié)電容Cj和電感Li的大小，就能使低通網(wǎng)絡(luò)有極高的截止頻率或很寬的工作帶寬。當(dāng)大信號輸入時PIN二極管呈低阻抗，Rj很小，結(jié)電容被一個小電阻所短路，信號受到大的反射，而產(chǎn)生限幅作用，等效電路如圖6所示。3、電路設(shè)計為了討論方便，將電路表示為一T型節(jié)，PIN二極管的阻抗用Z2表示，Z工為二極管的引線電感1。共影象傳輸系數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0058]上式a1為影象衰減(奈)，13為影象相移常數(shù)a.小功率輸入時電路的設(shè)計從圖5可知，此時電路相當(dāng)于一個LC低通濾波器，設(shè)計任務(wù)就是要確定該濾波器的元件值，使其在工作頻帶內(nèi)能與主傳輸線匹配，并有盡可能小的插入損耗。12此時21=,、2=—j^，則截止頻率^雨特性阻抗zc^a/VO'2ZZ0—」o^2所以網(wǎng)絡(luò)參數(shù)^^i-;/fc，2，Cj=Zo『c=<cZo計算電路損耗時應(yīng)記入Rs的影響，則可將.Z2=Rs+j呵代入(1)式計算，則4Z，VC乂-_/丄)爭2+^;;^)爭+;;;^)/=一1『W因如令H=RsWCj則上式變?yōu)椤?,Rs<<，4Z2=-V『c乂、2『Cj4Z,這里Z，4Z:由上式算得4Z，Vl+//24>=Ji-tan-'H和小值后代入(1)式，即可按~^十|1+~l4Z，，4Z,求得以奈計的^值c設(shè)計時必須提高低通濾波器的截止頻率(一般取>2Wc)，才能使限幅器有較小的起始衰減，且能得到較好的輸入電壓駐波比。b.大信號輸入時，電路的設(shè)計大信號輸入時，PIN二極管可等效為一個電阻R。，這時也可用(1)式來計算其影象衰減a1。a,=21nzi，44Z，(奈)z,風(fēng),z。此時^=，"，22=^則^:_1_^:則a"21n,Z。,1+丄『202歸「2歸廠(奈)7[0075]此時電路的影象阻抗仍為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由于Z"^Z。，故產(chǎn)生反射，形成反射衰減，所以總衰減等于電路的影象衰減和反射衰減之和，并可近似表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>"=8.68xa"401og4、不同管芯的級聯(lián)為了在高輸入功率下得到低泄露，必須采用多個PIN二極管級聯(lián)。圖8示出了用兩只PIN管芯2級聯(lián)的限幅器。將高電壓管芯(I層較厚)用于前端，低電壓管芯(I層較薄)用于后端。等效電路如圖9所示。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(hù)。I層較厚的管芯隨功率增加逐漸導(dǎo)通。只要有適當(dāng)?shù)墓荛g距l(xiāng)，使"導(dǎo)通"的二極管對前級二極管呈現(xiàn)高阻抗，縮短前級二極管的導(dǎo)通時間，為大部分功率被前級二極管反射提供保證，防止I層較薄的二極管燒毀。適當(dāng)?shù)墓荛g距還有助于電路駐波和插損的減小。管間距怎樣選擇呢？為簡便起見，可不考慮電感的影響(通常電感都較小)，則等效電路如圖io所示。首先求出電路的傳輸距陣，采用歸一化導(dǎo)抗后，可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>討論兩只1Q的二極管并聯(lián)的隔離度隨管間間距變化情況。當(dāng)管間間距為o或i時，電長度e為0或，總的RD為0.5Q，且L2=101g[^(2+50+50)2]"34dB當(dāng)管間間距為4時，電長度e為冬，第二只管子在第一只管子處產(chǎn)生42[酬高阻抗，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>隔離度凈增加28dB，相差如此之大。通過的射頻電流分配為在距離為0或#時，兩只二極管各得一半電流；距離為4時，低電壓二極管在脈沖上升期間導(dǎo)通，并在高電壓二4極管處呈現(xiàn)一大電壓，促使輸入二極管導(dǎo)通，全部電流通過第一只二極管，所有的功率被反射，第二只二極管得到保護(hù)。本實用新型由于工作頻率在2GHz以下，工作頻帶在20倍頻以上，因降低限幅電平的需要，設(shè)計中采用多級PIN二極管并聯(lián)與一級多只肖特基檢波二極管并聯(lián)實現(xiàn)。設(shè)計電原理圖見圖1所示。外形結(jié)構(gòu)和尺寸見圖11。權(quán)利要求一種寬帶微波大功率限幅器，其特征在于包括五個并聯(lián)的PIN二極管和四個并聯(lián)的肖特基檢波二極管，PIN二極管和肖特基檢波二極管均安裝在介電常數(shù)為10.2的電路基片(3)上，多個PIN二極管級聯(lián)，每兩個級聯(lián)的PIN二極管之間均由微帶線、引線電感和分布電容構(gòu)成等效于的電長度。F2009200831048C00011.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶微波大功率限幅器，其特征在于所述限輻器的工作頻率為0.l-2GHz，工作頻帶在20倍頻以上。專利摘要本實用新型公開了一種寬帶微波大功率限幅器，包括五個并聯(lián)的PIN二極管和四個并聯(lián)的肖特基檢波二極管，PIN二極管和肖特基檢波二極管均安裝在介電常數(shù)為10.2的電路基片上，多個PIN二極管級聯(lián)，每兩個級聯(lián)的PIN二極管之間均由微帶線、引線電感和分布電容構(gòu)成等效于的電長度。本實用新型與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，工作頻率及限輻電平指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)外類似產(chǎn)品，具有0.1-2GHz的超寬工作頻帶，承受峰值功率大。文檔編號H03G11/02GK201467076SQ20092008310公開日2010年5月12日申請日期2009年7月31日優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日發(fā)明者何猛,唐麗蓉申請人:成都亞光電子股份有限公司