专利名称：：宽带微波大功率限幅器的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及限辐器
技术领域：
，确切地说涉及一种宽带微波大功率限辐器。
背景技术：
：随着现代无线技术的发展，空间信号的复杂、多样性，使一些较大的干扰信号能被天线直接接收而进入接收机中，若接收机前级没有任何保护措施，较大的干扰信号就会将接收机中的低噪放烧毁，从而造成接收机的损坏。另一种情况是在收发组件中，发射与接收之间仅用一环行器隔离，由于环行器隔离有限，当发射时漏过的较大功率直接进入接收机中烧毁接收机中的低噪放，从而造成组件损坏。为了保护低噪放等功率灵敏器件不被损坏，通常在这些器件前加一个限幅器进行保护。微波集成限幅器是一种自控衰减器。理想的限幅器在低输入功率时没有衰减，当输入的微波信号功率增长到规定功率时，产生很大衰减，这个规定值称为门限电平，此后输入功率再继续加大时，输出功率仍保持恒定。要求限幅器的门限电平必须小于接收机能承受的烧毁功率。此外，限幅器也用于扫频信号振荡器或相位检测系统中，用来减小信号的幅度波动。1.限幅器主要技术指标(1)限幅电平当输入功率超过某一数值后，衰减显著增加，输出开始稳定。此一输出功率值称为限幅电平。(2)插入损耗在系统中接入限幅器后，正常小信号输入时，对传输信号的损耗称为限幅器插入损耗。(3)电压驻波比反映输入信号电平远低于门限电平时，限幅器的端口的匹配状况。(4)承受功率反映限幅器的功率承受能力。也可称为功率容量或耐功率。2.限幅器工作原理PIN二极管限幅器工作状态和PIN二极管开关工作状态有一定类似之处。作开关应用时是外加直流电流，使i层注入载流子，从而降低i层阻抗，使PIN管导通。限幅工作状态下，工作点为0伏，当外加微波信号很小时，微波对零偏的i层原有载流子浓度影响不大，PIN仍处于高阻状态，限幅器对微波信号没有衰减。微波信号逐渐加强，在微波交流信号正半周时，空穴和电子从i层两侧向i层注入，使i层两侧充满载流子；在微波负半周，i层中的载流子又向流出i层的方向返回运动。但由于载流子浓度有梯度分布，在负半周开始时，有一部分载流子仍要向i层中央扩散。此外由于载流子寿命远比微波信号周期要长，在负半周内来不急复合，结果在负半周结束时，i层内残留一部分载流子。经过几个周期之后，i层中保持有一定数量的载流子，形成某种稳态分布，使i层电阻减小，从而对微波信号产生衰减。现有技术中的限辐器，存在以下缺点1、受限辐器体积大小的限制，频段的扩展能力较差，由于现有限辐器产品本身频段较宽，兼顾低端往高端扩展或兼顾高端往低端扩展均有限。2、受产品长度影响，各PIN二极管之间不能满足4，且级数有限，限幅泄漏功率扩4展能力有限。3、受产品体积大小的限制，散热面积差，承受功率扩展能力有限。
实用新型内容为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种体积小，工作频率低并能实现较低功率泄漏和插入损耗的宽带微波大功率限幅器，本实用新型与国内外同类产品相比，工作频率及限辐电平指标均远远优于国内外类似产品，具有0.l-2GHz的超宽工作频带，承受峰值功率大。本实用新型是通过下述技术方案实现的—种宽带微波大功率限幅器，其特征在于包括五个并联的PIN二极管和四个并联的肖特基检波二极管，PIN二极管和肖特基检波二极管均安装在介电常数为10.2的电路基片上，多个PIN二极管级联，每两个级联的PIN二极管之间均由微带线、引线电感和分布电容构成等效于^4的电长度。84所述限辐器的工作频率为0.l-2GHz，工作频带在20倍频以上。本实用新型的优点表现在1、本实用新型与国内外同类产品相比，工作频率及限辐电平指标均远远优于国内外类似产品，外形为金属微封装表贴式，外形尺寸13.5x6.25x3mm3，具有使用安装方便等特点。2、本实用新型采用多个PIN二极管级联，介电常数为10.2的电路基片，从而縮短了传输线长度，也就减小了封装体积，频段的扩展能力强，散热面积好，承受功率扩展能力强。3、本实用新型具有超宽工作频带(0.lGHz2GHz)，采用5级PIN二级管并联(VIV3)和4只肖特基检波二极管并联(DlD4)，电路基片选用高介电常数的复合介质基片，集中参数和分布参数相结合的设计方法，使用并联电路方式，通过匹配优化实现阻抗匹配及宽带性能。4、本实用新型承受峰值功率大(200W，脉宽1iiS，占空比1%。)。对前级PIN二极管的功率承受能力进行了分析研究，在保证承受功率有一定的盈余量的前提下，合理选择前级PIN二极管及其后级各级合理的搭配，运用ADS设计软件进行电路优化设计，确保电路既满足承受功率能力，又满足小信号参数指标。5、本实用新型由微带线、引线电感和分布电容构成等效于44的电长度，限幅84泄漏功率低至30mW(0.52GHz)、50mW(0.10.5GHz))。6、插入损耗小(0.8dB)。下面将结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明，其中图1为本实用新型电路原理图图2为限辐器特性曲线图图3a为利用PIN二极管的寄生参数结构图图3b为图3a中俯视图图4为PIN二极管的等效电路图图5为小功率输入时等效电路图图6为大功率输入时等效电路图图7为PIN限辐器的T型节图8a为两只PIN二极管级联的限辐器示意图图8b为图8a中俯视图图9a为级联后小电平输入时等效电路图图9b为级联后高功率输入时等效电路图图10为图9b中高功率简化等效电路图图11限辐器外形尺寸图图12为图11中俯视结构示意图图中标记V1-V5、PIN二极管，D1-D4、肖特基检波二极管，1、引线电感，2、PIN管芯，3、电路基片，4、金属地板，5、微带线，6、介质，7、50Q导体，8、接地板，9、接地线圈。具体实施方式本实用新型工作频率在2GHz以下，工作频带在20倍频程以上，因降低限幅电平的需要，设计中采用多级PIN二极管并联再加多级肖特基检波二极管实现，设计电原理图见图1所示采用5级PIN二级管并联(VIV5)和4只肖特基检波二极管并联(DlD4)，电路基片3选用高介电常数的复合介质基片。采用集中参数和分布参数相结合的设计方法，使用并联电路方式，通过匹配优化实现阻抗匹配及宽带性能。本实用新型的主要技术指标如表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>[0049]本实用新型同国内外其他产品的技术指标对比如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>[0051]为了实现宽带性能，必须尽量减小PIN管的寄生参数，直接采用管芯技术，并利用管芯的寄生参数使之成为有用的电路元件。小信号状态单只管芯等效为一T型低通滤波器，合理选择PIN二极管的结电容Cj和引线电感Ls的大小，就能使低通网络具有很宽的工作带宽。大信号输入时，由于PIN二极管的电导调制作用，二极管进入正向导通状态，呈现一极低阻抗、等效为正向电阻Rs，此时，电路的影象阻抗与传输阻抗失配，对入射信号产生较大的反射只有极小信号漏过。由影象参数法计算对入射信号功率的衰减分贝数，可估算一只管芯的隔离通常仅有十几分贝。计算表明一只管芯隔离不能满足要求，必须采用多只管芯级联、并有一定管间间距才能提高隔离度，降低泄漏功率电平。XVJX2001体积要求小、工作频率较低，采用高介电常数的基片，对前级大功率PIN二极管芯采用宽金带键合，对后级小功率PIN二极管芯采用金丝键合，电路的级数、PIN二极管的数量以及管芯的各项参数指标应针对不同的电路参数要求综合平衡，优化设计确定。1、限幅器的功能限幅器是这样一种二端口网络，它对小功率信号几乎无衰减地通过，而对大功率信号却产生大的衰减，信号愈强衰减越大，限幅特性如图2所示。当信号较弱时，电路的衰减很小；而当信号大于某一门限值后，电路的衰减显著增加，以致能近似保持输出功率不变。但当信号过强时，二极管烧毁，输出功率显著增大。2、为实现带宽要求，必须利用管子的寄生参数，将之看成是有用的电路元件，结构如图3所示。当小信号输入时，PIN二极管呈高阻状态，Rj相当大(如图4所示)，串联电阻Rs很小，故可等效为一无耗T型低通滤波器，如图5所示。合理选择PIN二极管的结电容Cj和电感Li的大小，就能使低通网络有极高的截止频率或很宽的工作带宽。当大信号输入时PIN二极管呈低阻抗，Rj很小，结电容被一个小电阻所短路，信号受到大的反射，而产生限幅作用，等效电路如图6所示。3、电路设计为了讨论方便，将电路表示为一T型节，PIN二极管的阻抗用Z2表示，Z工为二极管的引线电感1。共影象传输系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0058]上式a1为影象衰减(奈)，13为影象相移常数a.小功率输入时电路的设计从图5可知，此时电路相当于一个LC低通滤波器，设计任务就是要确定该滤波器的元件值，使其在工作频带内能与主传输线匹配，并有尽可能小的插入损耗。12此时21=,、2=—j^，则截止频率^雨特性阻抗zc^a/VO'2ZZ0—」o^2所以网络参数^^i-;/fc，2，Cj=Zo『c=<cZo计算电路损耗时应记入Rs的影响，则可将.Z2=Rs+j呵代入(1)式计算，则4Z，VC乂-_/丄)争2+^;;^)争+;;;^)/=一1『W因如令H=RsWCj则上式变为」7,Rs<<，4Z2=-V『c乂、2『Cj4Z,这里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,求得以奈计的^值c设计时必须提高低通滤波器的截止频率(一般取>2Wc)，才能使限幅器有较小的起始衰减，且能得到较好的输入电压驻波比。b.大信号输入时，电路的设计大信号输入时，PIN二极管可等效为一个电阻R。，这时也可用(1)式来计算其影象衰减a1。a,=21nzi，44Z，(奈)z,风,z。此时^=，"，22=^则^:_1_^:则a"21n,Z。,1+丄『202歸「2歸厂(奈)7[0075]此时电路的影象阻抗仍为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由于Z"^Z。，故产生反射，形成反射衰减，所以总衰减等于电路的影象衰减和反射衰减之和，并可近似表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>"=8.68xa"401og4、不同管芯的级联为了在高输入功率下得到低泄露，必须采用多个PIN二极管级联。图8示出了用两只PIN管芯2级联的限幅器。将高电压管芯(I层较厚)用于前端，低电压管芯(I层较薄)用于后端。等效电路如图9所示。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l，使"导通"的二极管对前级二极管呈现高阻抗，縮短前级二极管的导通时间，为大部分功率被前级二极管反射提供保证，防止I层较薄的二极管烧毁。适当的管间距还有助于电路驻波和插损的减小。管间距怎样选择呢？为简便起见，可不考虑电感的影响(通常电感都较小)，则等效电路如图io所示。首先求出电路的传输距阵，采用归一化导抗后，可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>讨论两只1Q的二极管并联的隔离度随管间间距变化情况。当管间间距为o或i时，电长度e为0或，总的RD为0.5Q，且L2=101g[^(2+50+50)2]"34dB当管间间距为4时，电长度e为冬，第二只管子在第一只管子处产生42[酬高阻抗，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>隔离度净增加28dB，相差如此之大。通过的射频电流分配为在距离为0或#时，两只二极管各得一半电流；距离为4时，低电压二极管在脉冲上升期间导通，并在高电压二4极管处呈现一大电压，促使输入二极管导通，全部电流通过第一只二极管，所有的功率被反射，第二只二极管得到保护。本实用新型由于工作频率在2GHz以下，工作频带在20倍频以上，因降低限幅电平的需要，设计中采用多级PIN二极管并联与一级多只肖特基检波二极管并联实现。设计电原理图见图1所示。外形结构和尺寸见图11。权利要求一种宽带微波大功率限幅器，其特征在于包括五个并联的PIN二极管和四个并联的肖特基检波二极管，PIN二极管和肖特基检波二极管均安装在介电常数为10.2的电路基片(3)上，多个PIN二极管级联，每两个级联的PIN二极管之间均由微带线、引线电感和分布电容构成等效于的电长度。F2009200831048C00011.tif2.根据权利要求1所述的宽带微波大功率限幅器，其特征在于所述限辐器的工作频率为0.l-2GHz，工作频带在20倍频以上。专利摘要本实用新型公开了一种宽带微波大功率限幅器，包括五个并联的PIN二极管和四个并联的肖特基检波二极管，PIN二极管和肖特基检波二极管均安装在介电常数为10.2的电路基片上，多个PIN二极管级联，每两个级联的PIN二极管之间均由微带线、引线电感和分布电容构成等效于的电长度。本实用新型与国内外同类产品相比，工作频率及限辐电平指标均远远优于国内外类似产品，具有0.1-2GHz的超宽工作频带，承受峰值功率大。文档编号H03G11/02GK201467076SQ20092008310公开日2010年5月12日申请日期2009年7月31日优先权日2009年7月31日发明者何猛,唐丽蓉申请人:成都亚光电子股份有限公司