作者：Adam Winter and Jerry Cornwell

寬帶、高動態(tài)范圍微波限幅放大器是電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，在這種系統(tǒng)中，需要在寬輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定/壓縮的輸出功率。這些電子戰(zhàn)系統(tǒng)通常需要高增益和平坦的響應(yīng)，并且必須在惡劣的熱環(huán)境中工作。要在多倍頻程頻段上保持可接受的可靠性能，需要仔細設(shè)計放大器鏈。放大器鏈的級聯(lián)和飽和不當(dāng)會導(dǎo)致性能不可靠和不可預(yù)測。本文演示了一種2 GHz至18 GHz設(shè)計，使用ADI器件在–40°C至+85°C范圍內(nèi)可實現(xiàn)大于40 dB的限幅動態(tài)范圍，輸出功率變化小于2 dB，噪聲系數(shù)為4 dB。通過利用ADI獨特的MMIC優(yōu)勢和子系統(tǒng)設(shè)計能力，我們能夠提供卓越的解決方案，以滿足客戶對高級應(yīng)用的需求。所達到的性能的測試結(jié)果如下所示。

1.0 簡介

許多現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要能夠在多倍頻程帶寬上承受寬輸入功率變化的低噪聲接收器。這些接收器對于保護敏感元件免受RF過驅(qū)或消除輸入信號中的AM調(diào)制是必要的。此外，多通道系統(tǒng)設(shè)計和靠近接收器天線產(chǎn)生了對低功耗和小封裝尺寸的要求。應(yīng)用包括 IFM 和測向前端、DRFM 和干擾器系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須在很寬的熱范圍內(nèi)工作，并且在所有工作條件下都需要低諧波含量的平坦頻率響應(yīng)。ADI公司的限幅放大器具有業(yè)界領(lǐng)先的封裝尺寸、電氣/RF性能以及易于集成到更高級別的組件中，因此非常適合許多此類應(yīng)用。微波限幅放大器是一種高增益、多級放大器，通過隨著輸入功率的增加連續(xù)壓縮內(nèi)部增益級來限制輸出功率。增益級從輸出級向輸入壓縮，其設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，可避免在所有工作條件下過驅(qū)動單個增益級。與寬帶限幅放大器設(shè)計相關(guān)的挑戰(zhàn)包括多倍頻程帶寬上的有效功率限制、熱補償和頻率均衡。此外，系統(tǒng)對低噪聲、低功耗和小封裝尺寸的要求增加了設(shè)計的復(fù)雜性。

本文回顧了2 GHz至18 GHz限幅放大器的設(shè)計考慮因素和技術(shù)，要求增益為45 ±1.5 dB，工作溫度范圍為–40°C至+85°C，直流小于1.5 W，限幅動態(tài)范圍為40 dB。限制動態(tài)范圍定義為RF輸出功率固定的輸入功率范圍。ADI提供滿足這些要求的寬帶2 GHz至18 GHz限幅放大器產(chǎn)品HMC7891。該放大器在密封的連接器封裝中包括內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)。

2.0 結(jié)構(gòu)和放大器注意事項

微波限幅放大器設(shè)計從向下選擇首選結(jié)構(gòu)方法和內(nèi)部增益級放大器開始。對于高頻應(yīng)用，混合芯片和電線組件通常優(yōu)于表面貼裝設(shè)計，以最大程度地減少封裝寄生效應(yīng)引起的有害性能影響，并且混合芯片和電線組件的可靠性被認為優(yōu)越，因為混合組件經(jīng)過徹底檢查，非常適合處理環(huán)境壓力。此外，這些組件體積小、重量輕且易于密封。混合芯片和電線組件由裸片形式的單片微波集成電路 （MMIC）、薄膜技術(shù)和引線鍵合無源元件組成。

選擇內(nèi)部增益級的主要考慮因素包括工作頻率范圍、增益與溫度的關(guān)系、增益平坦度、飽和諧波含量和非線性性能。成功的限幅放大器設(shè)計可最大限度地減少增益級和獨特的器件數(shù)量，從而減少熱補償和平坦度挑戰(zhàn)。此外，成功與否在很大程度上取決于器件最大輸入功率額定值和所選增益級的壓縮特性。為了完成具有40 dB限制動態(tài)范圍要求的設(shè)計，建議至少使用4個增益級，以便理想情況下，每個放大器級的工作壓縮速率不超過10 dB。四個增益級也應(yīng)足以在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)45 dB的小信號增益要求。

寬帶MMIC增益模塊放大器或低噪聲放大器（LNA）具有高增益和低功耗性能，是限制放大器設(shè)計的良好選擇。噪聲系數(shù)要求通常會確定需要使用低噪聲放大器而不是增益模塊放大器。然而，LNA增益級可能會帶來設(shè)計挑戰(zhàn)，因為它們的RF輸入額定功率通常較低。理想的增益級器件具有較高的最大RF輸入功率額定值，并且可以在高壓縮水平下安全運行。

另一個重要的考慮因素是每個增益級的飽和諧波成分。諧波含量要求取決于限幅放大器的應(yīng)用。例如，用于生成方波輸出波形的應(yīng)用需要使用具有低偶次諧波輸出和強奇次諧波輸出的增益級放大器。為避免損壞輸出波形，在所有四個增益級位置使用相同的器件很有用。最后，所選的MMIC放大器必須無條件穩(wěn)定，理想情況下沒有偏置時序要求，以簡化設(shè)計。

HMC462是完成限幅放大器設(shè)計的理想MMIC。HMC462是一款自偏置LNA，需要5 V單電源，增益大于13 dB，具有出色的2 GHz至18 GHz增益平坦度和平均2.5 dB噪聲系數(shù)。該器件具有 18 dBm 飽和輸出功率電平，可在整個頻段內(nèi)安全地以大于 14 dB 的壓縮速度運行。最大輸入額定功率幾乎相當(dāng)于器件的飽和輸出功率，非常適合在一系列級聯(lián)增益級中工作。二階諧波低，MMIC具有強而平坦的三階諧波。飽和直流功率小于 400 mW。

3.0 射頻預(yù)算分析

在選擇限幅放大器增益級之后，有必要考慮RF系統(tǒng)預(yù)算分析。RF預(yù)算分析檢查限幅放大器內(nèi)各個測試點的寬帶頻率響應(yīng)和RF功率電平。必須完成分析，以校正最壞情況下的工作溫度、增益斜率和寬RF輸入功率范圍。如第2.0節(jié)所述，具有40 dB限幅動態(tài)范圍的限幅放大器的基本布局是四個增益模塊放大器或LNA的級聯(lián)系列。理想的設(shè)計僅使用一個或兩個獨特的放大器部件號來減少功率隨頻率的變化，并最大限度地減少熱/斜率補償要求。

圖1顯示了溫度校正和斜率補償前的首次通過初步限幅放大器框圖。完成寬帶限幅放大器設(shè)計的一種推薦技術(shù)是：

管理限制功率動態(tài)范圍并消除射頻過驅(qū)條件。

在整個溫度范圍內(nèi)優(yōu)化性能。

通過校正電源滾降并平坦小信號增益來完成設(shè)計。

在設(shè)計中包含頻率均衡后，可能需要進行最后的小幅校正以重新審視溫度補償。

圖1.初步框圖。

3.1 功率限制

圖1所示初步設(shè)計的主要問題是，隨著RF輸入功率的增加，RF過驅(qū)可能發(fā)生在輸出增益級。當(dāng)任何增益級的飽和輸出功率超過該系列中后續(xù)放大器的絕對最大輸入時，將發(fā)生RF過驅(qū)。此外，該設(shè)計容易受到VSWR相關(guān)紋波的影響，并且由于小型RF封裝內(nèi)的高無阻尼增益，極有可能發(fā)生振蕩。

為了防止RF過驅(qū)，降低VSWR效應(yīng)并降低振蕩風(fēng)險，請在每個增益級之間添加固定衰減器以降低功耗和增益。射頻蓋上可能還需要一個射頻吸收器來消除振蕩。需要足夠的衰減才能將每個增益級的最大輸入功率降低到MMIC的額定輸入功率電平以下。必須包括足夠的衰減，以適應(yīng)頂級輸入功率裕度，并考慮熱和器件間的變化。圖2顯示了限幅放大器鏈中需要RF衰減器的位置。

圖2.框圖，射頻過驅(qū)校正。

ADI寬帶限幅放大器HMC7891采用四個HMC462增益級，設(shè)計工作頻率高達10 dBm。絕對最大輸入功率為15 dBm。每個增益級可承受18 dBm的最大RF輸入。根據(jù)上一段概述的設(shè)計步驟，在增益級之間增加了衰減器，以確保最大放大器輸入功率電平不超過17 dBm。圖3顯示了在設(shè)計中添加固定衰減器后，每個增益級輸入端的最大功率電平。

圖3.模擬P外與頻率的關(guān)系，射頻過驅(qū)校正。

3.2 熱補償

第二步是對設(shè)計進行熱補償，以增加工作溫度范圍。限幅放大器應(yīng)用的常見溫度范圍要求是–40°C至+85°C。 0.01 dB/°/級的經(jīng)驗法則增益變化公式可用于近似四級放大器設(shè)計的增益變化。增益隨著溫度的降低而增加，反之亦然。以環(huán)境增益為基準，預(yù)計總增益在85°C時降低2.4 dB，在–40°C時增加2.6 dB。

為了對設(shè)計進行熱補償，可以插入市售的Thermopad溫度可變衰減器來代替固定衰減器。圖4顯示了寬帶商用Thermopad衰減器的測試結(jié)果。根據(jù)Thermopad測試數(shù)據(jù)和近似增益變化，很明顯，需要兩個Thermopad衰減器來對四級限幅放大器設(shè)計進行熱補償。?

圖4.溫度范圍內(nèi)的熱墊損耗。

決定將熱墊插入何處是一個重要的決定。由于Thermopad衰減器的損耗增加，特別是在低溫下，最好避免在RF鏈的輸出附近添加組件，以保持較高的限制輸出功率水平。理想的Thermopad位置位于前三個放大器級之間，如圖5所示。

圖5.框圖，熱補償。

ADI公司熱補償HMC7891小信號性能的仿真結(jié)果如圖6所示。在頻率均衡之前，增益變化降至最大2.5 dB。這在±1.5 dB增益變化要求之內(nèi)。

圖6.HMC7891仿真了隨溫度變化的小信號增益。

3.3 頻率均衡

最后的設(shè)計步驟是通過集成頻率均衡來提高增益平坦度。頻率均衡通過向系統(tǒng)引入正增益斜率來補償大多數(shù)寬帶放大器中的自然增益滾降。存在各種均衡器設(shè)計，包括無源砷化鎵MMIC芯片。無源MMIC均衡器是限制放大器設(shè)計的理想選擇，因為它們尺寸小，沒有直流和控制信號要求。所需頻率均衡器的數(shù)量取決于限幅放大器的未補償增益斜率和所選均衡器的響應(yīng)。設(shè)計建議是稍微過度補償頻率響應(yīng)，以考慮傳輸線損耗、連接器損耗和封裝寄生效應(yīng)，這些器件在較高頻率下對增益的影響大于較低頻率。定制ADI砷化鎵頻率均衡器的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7.測得的頻率均衡器損耗。

ADI公司的HMC7891限幅放大器需要三個頻率均衡器來校正熱補償小信號響應(yīng)。圖8顯示了HMC7891的熱補償和頻率均衡仿真結(jié)果。決定在何處插入均衡器對于成功的設(shè)計至關(guān)重要。在添加任何均衡器之前，重要的是要記住，理想的限幅放大器在所有增益級上均勻分布最大放大器壓縮，以避免過飽和。換句話說，在最壞情況下，每個MMIC應(yīng)該被同樣壓縮。

圖8.HMC7891仿真頻率均衡小信號增益隨溫度變化。

在設(shè)計的當(dāng)前階段，如圖5所示，可以在器件輸入端添加均衡器，與Thermopad衰減器串聯(lián)，代替固定衰減器或在器件輸出端。在限幅放大器輸入端增加均衡器會降低第一增益級的功耗。結(jié)果，第 1 階段壓縮降低。增益級壓縮的降低相當(dāng)于限制動態(tài)范圍的減小。此外，由于均衡器的衰減斜率，限制動態(tài)范圍隨頻率分散。動態(tài)范圍在較低頻率下比在較高頻率下降低得更多。為了補償限制動態(tài)范圍的降低，RF輸入功率必須增加。然而，由于均衡器的斜率，均勻增加輸入功率會增加放大器增益級過驅(qū)的風(fēng)險。可以在設(shè)備輸入端添加均衡器，但這不是理想的位置。

接下來，添加一個與Thermopad串聯(lián)的均衡器將減少后續(xù)放大器的壓縮。這會導(dǎo)致放大器壓縮在增益級之間的分布不均勻，并降低整體限制動態(tài)范圍。不建議使用與熱墊衰減器串聯(lián)的均衡器。

第三，用一個（或多個）均衡器代替固定衰減器只會改變輸出級放大器的壓縮電平。為了盡量減少這種變化并避免RF過驅(qū)，均衡器損耗應(yīng)大致等于從系統(tǒng)中移除的固定衰減值。此外，如前所述，在增益級之前添加均衡器會在限制動態(tài)范圍與頻率時產(chǎn)生色散。為了盡量減少這種影響，請盡可能少地替換均衡器。

最后，可以在器件輸出端添加均衡器。輸出均衡會降低輸出功率，但不會產(chǎn)生有限的動態(tài)范圍色散。輸出均衡確實會產(chǎn)生略微正的輸出功率斜率，但該斜率會被高頻封裝和連接器損耗所抵消。完整的四級限幅放大器布局如圖9所示。

圖9.框圖，頻率均衡。

圖10顯示了ADI公司HMC7891的輸出功率與溫度仿真結(jié)果的關(guān)系。最終設(shè)計實現(xiàn)了40 dB的極限動態(tài)范圍，在所有工作條件下的模擬最差情況下輸出功率變化為3 dB。

圖 10.HMC7891仿真P坐與溫度變化的頻率。

4.0 ADI限幅放大器測試結(jié)果

HMC7891的測試結(jié)果如圖11至圖18所示。結(jié)果表明，該設(shè)計能夠在13 dBm的飽和輸出功率下實現(xiàn)47 dB增益。放大器的輸入功率范圍為–30 dBm至+10 dBm，限幅動態(tài)范圍為40 dB。該裝置在 –40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內(nèi)進行了測試。 HMC7891的照片如下圖所示圖19。雖然HMC7891主要設(shè)計為限幅放大器，但小尺寸和出色的RF性能使其適用于各種應(yīng)用，包括用作頻率三倍器或LO放大器。本文所述的設(shè)計技術(shù)可用于未來的限幅放大器設(shè)計，修改規(guī)格要求，如頻率、輸出功率、增益、NF或限制動態(tài)范圍。

圖 11.HMC7891測得的P坐與溫度變化的頻率。

圖 12.HMC7891測量增益和回波損耗。

圖 13.HMC7891測得的P外vs. P在在整個溫度范圍內(nèi)為 2 GHz。

圖 14.HMC7891測得的P外vs. P在在整個溫度范圍內(nèi)為 10 GHz。

圖 15.HMC7891測得的P外vs. P在在整個溫度范圍內(nèi)為 18 GHz。

圖 16.HMC7891在整個溫度范圍內(nèi)測量了噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系。

圖 17.HMC7891在P坐過溫。

圖 18.HMC7891在P坐.

審核編輯：郭婷