劉飛飛，史 磊，孫一航

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

隨著電子技術(shù)和半導體工藝的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代無線電系統(tǒng)對接收鏈路的線性度要求不斷提高，而ADC前級限幅保護電路的高線性度與低泄露功率之間的矛盾凸顯出來。在ADC 的保護方面，傳統(tǒng)的自動增益控制（AGC）電路和限幅器存在著一些限制，存在起限功率較低、漏功率較高、以及線性度不足等缺點[1]。

GaN 材料因其禁帶寬度大、反向擊穿電壓高和散熱性能優(yōu)越而被選用，確保了高線性限幅器的高耐功率和高可靠性。為了克服傳統(tǒng)AGC 電路和限幅器之間的矛盾，本文提出了一種基于氮化鎵（GaN）PIN 二極管的高線性限幅器，該限幅器采用薄膜混合集成工藝，在5mm×5mm×2.5mm 的一體化陶瓷表貼封裝內(nèi)實現(xiàn)了100MHz～1000MHz 的工作帶寬、40dBm 耐功率與26dBm 的輸入P-1dB 指標，體積小巧，性能優(yōu)異。該限幅器非常適合用于在復雜的電磁環(huán)境中ADC 芯片的功率防護。

1 電路基本原理

1.1 PIN 二極管限幅原理

在射頻信號輸入功率較小時，PIN 二極管的I 層（本征層）表現(xiàn)出較高的電阻，射頻信號正常通過限幅電路。當輸入功率增加到一定程度時，二極管內(nèi)的載流子數(shù)量增多，此時二極管開始導通，限幅電路隔離度變大。當輸入功率達到一定水平后，導通后的電阻值會保持在較低的水平，即使輸入功率繼續(xù)增加，限幅電路的隔離度也不會改變。圖1 為限幅器輸入輸出功率曲線。

圖1 限幅器輸入輸出功率曲線

圖2 為PIN 二極管芯片剖面及其射頻等效電路。在限幅器電路中，PIN 二極管可以使用電荷控制理論和射頻電導率調(diào)制效應來建模。在正向偏置狀態(tài)下的PIN二極管可以有效地表示為一個電流控制的可變電阻[1]。通過電阻的變化，可以實現(xiàn)對信號幅度的限制，即限幅功能。

圖2 PIN 二極管剖面及其射頻等效電路

1.2 線性度分析

限幅器線性度通常可以用1dB 功率壓縮點表征，即隔離度達到1dB 的狀態(tài)。限幅器電路通常由PIN 二極管并聯(lián)到地構(gòu)成，此時限幅器隔離度由式（1）決定。

式中：Z0——特性阻抗；Ri——二極管正向?qū)娮?。隔離度為1dB 時的正向?qū)娮杓s為205Ω。

參考文獻[2]中詳細介紹了PIN 二極管正向?qū)〞r串聯(lián)電阻Ri 的計算方法，當限幅器施加交流信號時，PIN 二極管的正向?qū)娮栌墒剑?）決定，載流子擴散系數(shù)計算如式（3）所示。

式中：W——PIN 二極管I 層厚度；f——功率信號頻率；q——電子電荷量，等于1.602×10-19C；Dap——載流子擴散系數(shù)；k——玻爾茲曼常數(shù)；T——絕對溫度；Irf——正向偏置電流；μ——載流子遷移率。

圖3 為PIN 二極管剖面圖及其射頻等效電路，根據(jù)圖3 電路結(jié)構(gòu)分析，當線性度指標為給定值時，即此時的輸入功率已明確，那么流經(jīng)串聯(lián)電阻的電流Irf為恒定值。根據(jù)式（2）和式（3），只有調(diào)整I 層厚度W 或者電子遷移率，才能得到合適的導通電阻。

圖3 限幅器等效電路圖

1.3 移相原理

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入電壓有上限且對信號的線性度有較高要求，本文的目標是設計一款高線性限幅器。期望該限幅器的輸入P-1達到26dBm，同時將漏功率控制在30dBm 以下。

這種限幅器很難通過單級實現(xiàn)，需增加限幅器級數(shù)，并將級間間隔控制到λ/4 電長度來降低漏功率。線性限幅器工作原理如圖4 所示，頻率高時使用微帶線調(diào)整級間電長度，頻率低時可以采用集總元件移相[3]。

圖4 線性限幅器工作原理

由集總元件電感電容組成的移向網(wǎng)絡中，電容量和電感量用式（4）和式（5）得出[4]。

式中：ω——角頻率；Z0——特性阻抗。

2 電路設計

2.1 限幅器設計

增加PIN 二極管的I 層厚度，可以增加限幅器的串聯(lián)電阻，提高線性度。但同時會降低其響應速度并提高漏功率的尖峰泄露。另一方面過厚的I 層厚度會增加PIN 二極管的導通電阻，使限幅器的耗散功率變大[5]。

本設計采用GaN 工藝設計制造PIN 二極管。GaN材料具有較低的電子遷移率，其制成的PIN 二極管在流經(jīng)相同電流時，具有更大的導通電阻。此種方法可以提高線性度，滿足P-1要求。表1 為常見的PIN 二極管材料的特性對比。

表1 常見的PIN 二極管材料的特性對比

在本論文中，采用了雙級限幅結(jié)構(gòu)，并在兩級之間插入T 型移相網(wǎng)絡。為了平衡產(chǎn)品的高頻與低頻性能，并考慮整體帶寬，選擇了1000MHz 作為移相網(wǎng)絡的中心頻率。

由式（4）和式（5）計算得：

2.2 軟件仿真

使用電磁仿真軟件對電路進行仿真，其中PIN 二極管模型使用A.G.M.Strollo 提出的模型[6]，并將I 層厚度、器件參數(shù)等帶入模型。移相網(wǎng)絡中電感模型選擇貴州順絡迅達QEC0402 系列8nH，電容采用MIS3.2pF 電容，設置1000MHzQ 值為50。線性限幅器仿真電路如圖5 所示。

圖5 線性限幅器仿真電路

限幅電路小信號及大信號特征仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 小信號及大信號特性仿真結(jié)果

3 電路測試

本文設計的高線性限幅器采用混合集成電路工藝制作，為保證其高可靠性，采用一體化陶瓷管殼進行電路封裝，最終實物如圖7 所示，產(chǎn)品尺寸僅為5mm×5mm×2.5mm。小信號及大信號特性實測結(jié)果如圖8 所示，其中大小信號采用矢量網(wǎng)絡分析儀測試，小信號測試時，輸入功率為-20dBm；大信號輸入1dB 功率測試時，輸入功率從15dBm 掃描至30dBm，間隔0.5dBm；大信號漏功率測試時，輸入功率為40dBm，掃頻間隔150MHz。

圖7 線性限幅器實物

圖8 小信號及大信號特性實測結(jié)果

由實測結(jié)果看出，輸出P-1＞26dBm，漏功率＜30dBm。

4 結(jié)論

本文成功設計了一款基于氮化鎵（GaN）PIN 二極管和薄膜混合集成工藝的高線性限幅器，有效解決了傳統(tǒng)自動增益控制（AGC）電路和限幅器在大信號環(huán)境下的性能指標不足問題。經(jīng)測試，該限幅器在100MHz至1000MHz 的寬頻帶內(nèi)插入損耗小于0.6dB，輸入P-1dB大于26dBm，最大可以承受連續(xù)波功率10W。本研究實現(xiàn)了線性限幅器技術(shù)的重大突破，為現(xiàn)代無線電系統(tǒng)提供了一種高效、可靠的微波防護方案。