一种对电磁波的限幅方法与流程

1.本发明属于对电磁波的限幅领域，具体涉及一种对电磁波的限幅方法。


背景技术：

2.现如今，限幅器的作用主要在于对敏感器件的保护。当输入端为小功率电磁波信号，则可直接通过；当输入端的电磁波功率过大时，如果直接通入到设备内部，则会对敏感器件产生损害，甚至烧毁。因此将其功率限制在保护范围内，将对系统和设备的正常运转起到至关重要的作用。
3.由于近年来gan等大功率放大器的出现，电磁波信号的功率大幅度提高，同时面对定向雷达的高功率辐射，传统的单片pin限幅器(其耐受程度即耐受功率为10～100w)已经无法满足要求，需要更大功率的限幅器来保护接收端元件与系统。彭龙新和戴家赟等人于2021年6月在《电子与封装》中公开“电流垂直流动集成大功率pin限幅mmic技术”，其中提出一款sic衬底si pin异质限幅器，但是其尺寸为3.3mm
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3.1mm。该异质限幅器体积过大，且设计复杂，在一些小型化芯片中的使用受到限制。
4.为了让限幅器能有多种性能，有一种设计会利用混合集成电路工艺，如孔令甲和要志宏等人于2015年10月在《半导体技术》中公开“s波段平衡式限幅mmic低噪声放大器设计”，其中采用pin二极管与肖特基二极管结合的两级限幅器，添加扼流电感提供二极管导通的直流回路。但由于肖特基二极管的反向漏电流值为正温度特性，容易随着温度升高而急剧变大，因此在长时间使用的过程中，肖特基二极管的工作环境会受到温度限制，需注意其热失控隐患。而若通过添加多种不同的二极管来解决该问题，则不但使限幅器体积增大、结构变复杂、成本提高，而且连效果也并无明显好转。
5.限幅器的体积大小影响限幅器的散热和耐受程度，因此本发明旨在解决现有限幅器为提高耐受程度而引起的插入损耗大、结构复杂、体积大以及无法在较为严苛的环境中工作的技术问题。
6.因此，本领域需要一种新的对电磁波的限幅方法或相应的限幅器。


技术实现要素：

7.因此，本发明首先提供一种对电磁波的限幅方法，所述方法可以解决现有限幅器为提高耐受程度而引起的插入损耗大、结构复杂、体积大以及无法在较为严苛的环境中工作的问题中的部分或全部问题。
8.本发明提供一种对电磁波的限幅方法，所述限幅方法包括在待保护的敏感器件前使用一种pin二极管限幅器，所述限幅器从其输入端到输出端包括以微带线主线依次连接的第一级pin二极管、射频扼流电感、第二级pin二极管和第三级pin二极管，所述微带线包括功分器、折线结构一和折线结构二，所述第一级pin二极管包括12个相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有6个pin二极管，上侧和下侧的pin二极管各使用一个t字型功分器并联连接在微带线主线上，且上侧和下侧的pin二极管均是每3个pin二极
管串联成一组，再与另外3个串联成一组的pin二极管并联在功分器上；所述射频扼流电感串联在微带线主线上；所述折线结构一设置在第一级pin二极管和射频扼流电感之间，所述折线结构二设置在射频扼流电感和第二级pin二极管之间；所述第二级pin二极管包括4个相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有2个串联的pin二极管；所述第三级pin二极管包括2个相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有1个pin二极管。
9.在一种具体的实施方式中，第一级pin二极管、第二级pin二极管和第三级pin二极管内的全部pin二极管方向一致。
10.在一种具体的实施方式中，第一级pin二极管、第二级pin二极管和第三级pin二极管中的每个pin二极管的终端均连接过孔接地。
11.在一种具体的实施方式中，第二级pin二极管内的多个pin二极管与第三级pin二极管内的多个pin二极管的长度和宽度尺寸均小于第一级pin二极管内的12个pin二极管的长度和宽度尺寸；优选第二级pin二极管内的多个pin二极管与第三级pin二极管内的多个pin二极管的长度和宽度尺寸均为l2和h2，第一级pin二极管内的12个pin二极管的长度和宽度尺寸均为l1和h1，则l2＜l1，h2＜h1。
12.在一种具体的实施方式中，所述折线结构一和折线结构二均包含一段单边开口而含三条边的矩形结构。
13.本发明还提供一种pin二极管限幅器，所述限幅器从其输入端到输出端包括以微带线主线依次连接的第一级pin二极管、射频扼流电感、第二级pin二极管和第三级pin二极管，所述第一级pin二极管内包含偶数个相同规格的pin二极管，且第一级pin二极管内的多个pin二极管均设置在微带线主线的上侧和下侧，且上侧和下侧的pin二极管并联在微带线主线上且个数一致；所述射频扼流电感串联在微带线主线上；所述第二级pin二极管内包含偶数个相同规格的pin二极管，且第二级pin二极管内的多个pin二极管均设置在微带线主线的上侧和下侧，且上侧和下侧的pin二极管并联在微带线主线上且个数一致；所述第三级pin二极管内包含偶数个相同规格的pin二极管，且第三级pin二极管内的多个pin二极管均设置在微带线主线的上侧和下侧，且上侧和下侧的pin二极管并联在微带线主线上且个数一致。
14.在一种具体的实施方式中，所述微带线包括功分器、折线结构一和折线结构二，所述第一级pin二极管包括12个相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有6个pin二极管，上侧和下侧的pin二极管各使用一个t字型功分器并联连接在微带线主线上，且上侧和下侧的pin二极管均是每3个pin二极管串联成一组，再与另外3个串联成一组的pin二极管并联在功分器上；所述折线结构一设置在第一级pin二极管和射频扼流电感之间，所述折线结构二设置在射频扼流电感和第二级pin二极管之间。
15.在一种具体的实施方式中，所述第二级pin二极管包括6个以内相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有1～3个pin二极管；所述第三级pin二极管包括6个以内相同规格的pin二极管，且在微带线主线的上侧和下侧各设置有1～3个pin二极管；且第三级pin二极管内的pin二极管总数小于等于第二级pin二极管内的pin二极管总数。
16.在一种具体的实施方式中，第一级pin二极管内的12个pin二极管方向一致，第二
级pin二极管内的多个pin二极管方向一致，第三级pin二极管内的多个pin二极管方向一致。
17.在一种具体的实施方式中，第一级pin二极管、第二级pin二极管和第三级pin二极管内的全部pin二极管方向一致。
18.在一种具体的实施方式中，第一级pin二极管、第二级pin二极管和第三级pin二极管中的每个pin二极管的终端均连接过孔接地。
19.在一种具体的实施方式中，第二级pin二极管内的多个pin二极管与第三级pin二极管内的多个pin二极管的长度和宽度尺寸均小于第一级pin二极管内的12个pin二极管的长度和宽度尺寸。
20.在一种具体的实施方式中，第二级pin二极管内的多个pin二极管与第三级pin二极管内的多个pin二极管的长度和宽度尺寸均为l2和h2，第一级pin二极管内的12个pin二极管的长度和宽度尺寸均为l1和h1，且l2＜l1，h2＜h1。
21.在一种具体的实施方式中，所述折线结构一和折线结构二均包含一段单边开口而含三条边的矩形结构。
22.本发明至少具备如下有益效果：本发明采用微带功分折线型多级联pin二极管来实现大信号下限幅的功能，该限幅器在电磁波频率为0～2ghz时尤为适用。且具体地：
23.1)本发明所述限幅器的插入损耗低至0.282db，明显优于现有技术。
24.2)本发明的限幅器整体尺寸可缩小至1.7
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0.9mm，明显优于现有技术。
25.3)本发明中射频扼流电感的使用影响限幅器的性能，尤其在阻抗匹配中效果最为明显；本发明所述限幅器可以最大程度提升耐受程度和散热速度。
26.总的来说，本发明提供一种小型高耐受限幅器，它对处于待保护的敏感器件接收端的电磁波信号按照特定的功率进行划分，低于该功率值的信号可以以低插入损耗通过，而高于该功率值的信号则产生较大反射。pin二极管限幅器一般运用在组成调频调制的发射器中，保护其接收端；也可为电路提供尖峰保护；运用于现代设备电磁防护中，因此在众多电路防护的系统和设备中，都能使用本发明所述的限幅方法和限幅器。
附图说明
27.图1为本发明所述限幅器结构的俯视示意图。
28.图2为本发明所述限幅器经过ads软件仿真模拟的插入损耗与频率的结果图。
29.图3为本发明所述限幅器经过ads软件仿真模拟的回波损耗与频率的结果图。
30.图4为本发明所述限幅器经过ads软件仿真模拟的限幅电平与射频功率的结果图。
31.图中：微带线1、射频扼流电感2、第一级pin二极管3、第二级pin二极管4、第三级pin二极管5、功分器11、折线结构一12、折线结构二13。
32.图中abc为微带线主线上侧的t字型功分器的结构示意，图中cde为微带线主线下侧的t字型功分器的结构示意。
具体实施方式
33.术语解释：
34.1、pin二极管：普通的二极管由pn结组成，在p和n半导体材料之间加入一薄层低掺
杂的本征半导体层，组成的这种p-i-n结构的二极管就是pin二极管。正因为有本征层的存在，pin二极管应用很广泛。
35.2、微带线：微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线。适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。
36.3、射频扼流电感：rfc，又名射频扼流圈，它是一种大电感。
37.图1中第一级二极管连接两个t字型的功分器，abc和cde，功分器的本质还是微带线，但对其长度和宽度等尺寸有具体要求。本发明中，t字型功分器的横线和竖线都需要控制其尺寸，以匹配阻值。
38.本发明提出了一种基于微带功分折线型pin二极管限幅器，共包括三级二极管，第一级二极管具有带内大信号被限幅的功能，第一级二极管共12个二极管，其型号相同；第二级二极管每一边各两个同型号二极管；第三级二极管每一边各一个同型号二极管。该技术类型为微带结构，使用pin二极管实现限幅功能。
39.本发明所述限幅器的整体结构如图1所示，图1为俯视示意图。从俯视图可以看出，它包含微带线、射频扼流电感和多个pin二极管，每一级的pin二极管为同一规格，长度均为l1或l2，宽度均为h1或h2。每个pin二极管的终端连接过孔接地。
40.本发明提供的限幅器在小信号情况下，pin二极管处于截止状态，此时限幅器插入损耗很小；当入射的微波功率较大时，pin结导通，限幅二极管由高阻抗向低阻抗转变，可以将高于门限的功率信号大部分反射，防止功率通过对后端电路产生损坏。
41.本发明所述限幅器中，pin二极管是一种自导通的衰减器，其工作状态的通断受控于直流偏置的状态。利用射频电导调制原理，当大功率信号通过时，射频信号正向半周期内大量的微波电流引起部分载流子注入到接近的p+和n+的边界，当射频电压变为反向的时候，电子和空穴就会恢复到i区。在正向偏置的时候，可维持pin二极管导通状态，而反向偏置的时候，pin二极管所呈现的阻抗大小取决于直流偏置。在限幅器中加载pin二极管，从而可以实现用小直流功率来控制pin二极管的工作状态，进而可以实现限幅器的限幅作用。
42.本发明中，每一级pin二极管的型号都有许多种，可以更换不同型号的pin二极管，相应限幅器实现的性能参数也不一样。本发明提供的pin二极管限幅器中的pin二极管尺寸大小与数量影响着限幅器的散热和耐受程度。本发明微带线中的折线结构一和折线结构二都需要调整和控制形状以及长宽等尺寸。
43.本发明所述限幅器经过ads软件仿真模拟，证明本发明所述限幅器在0-2ghz可以实现大信号情况下限幅。如图2～4所示是大信号下仿真结果。从图2～4中可以看出，插入损耗小于0.282db，回波损耗小于-17.5db，限幅电平14dbm，信号反射较强。从图2～3中可以看出本发明提供的限幅器产品插入损耗和回波损耗都足够小，体现出较好的产品性能。
44.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。