一種脈沖功率微波限幅器的設(shè)計*

張英浩，周 熹，張信民，張海兵

(南京船舶雷達(dá)研究所，南京 210003)

1 引言

作為一種重要的微波控制電路，微波限幅器能對小功率信號幾乎無衰減地通過，而對大功率信號卻產(chǎn)生很大的衰減。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)及通訊系統(tǒng)中的接收機(jī)保護(hù)，防止接收機(jī)或低噪聲放大器被大功率輸入信號燒毀。在實(shí)際系統(tǒng)中，很多雷達(dá)系統(tǒng)工作在脈沖狀態(tài)，發(fā)射機(jī)泄漏到接收機(jī)的信號是脈沖信號，干擾信號一般也是脈沖信號。目前，國內(nèi)外學(xué)者們在限幅器的小型化、寬帶化、大功率容量及低泄漏功率等方面有較多的研究［1-4］，而對限幅器承受脈沖功率問題研究較少。在工程實(shí)踐中設(shè)計者通常依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)對脈沖功率限幅器進(jìn)行設(shè)計和研制，周期長，效率低。針對上述問題，本文對基于PIN 限幅二極管的脈沖功率限幅器設(shè)計進(jìn)行研究，以滿足工程應(yīng)用需要。

2 原理分析

常見的限幅器一般采用多級PIN 限幅二極管級聯(lián)，通過多級限幅管逐級限幅以達(dá)到較大的功率容量及較低的泄漏功率。由其工作原理及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，限幅器的功率容量，即最大輸入功率，主要取決于第一級PIN 限幅二級管的最大輸入功率。一般，廠商提供的PIN 限幅二極管產(chǎn)品手冊上只有最大連續(xù)波輸入功率指標(biāo)及一種脈寬條件下的最大脈沖輸入功率指標(biāo)，不能滿足實(shí)際應(yīng)用中不同脈寬的需要。因此，根據(jù)已知條件對任意脈寬下最大脈沖輸入功率的求解是脈沖功率限幅器設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1 熱分析

PIN 限幅二級管的最大輸入功率限制主要是由管芯的結(jié)溫和散熱限制引起的［5］，當(dāng)微波大功率信號加到PIN 管時，其結(jié)溫隨時間變化可表示為

其中，t為時間，TS為PIN 管安裝的底板溫度即環(huán)境溫度，△TJ(t）為結(jié)溫變化量。結(jié)溫變化量可表示為

其中，PIN 管芯消耗功率，PD=k×Pin，Pin為輸入功率，k為系數(shù)，θJC為熱阻，τ為溫度時間常數(shù)。

圖1 △TJ(t）隨時間變化

△TJ(t）隨時間的歸一化變化如圖1所示。當(dāng)微波大功率信號加到PIN 管時，PIN 管芯由于消耗功率產(chǎn)生熱量，同時管芯產(chǎn)生熱量也向底板傳導(dǎo)散熱。于是，PIN 管結(jié)溫隨時間推移而上升，6τ 經(jīng)過時間時，管芯發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡，PIN 管結(jié)溫達(dá)到最大值。由式(2）和圖1 可知，PIN 管達(dá)到最高結(jié)溫由輸入功率和管芯的熱阻決定，輸入功率大，熱阻大，則結(jié)溫高；結(jié)溫的上升速度與溫度時間常數(shù)τ 有關(guān)，τ 大則結(jié)溫上升速度慢時間長，τ 大則結(jié)溫上升速度快時間短。

2.2 最大脈沖輸入功率

由PIN 管產(chǎn)品資料可知，PIN 管結(jié)溫有一定限制，當(dāng)結(jié)溫超過允許最大值后，PIN 管就會燒毀損壞，從而限制了PIN 管的最大輸入功率。假設(shè)輸入脈沖功率信號脈寬為tp，PIN 管冷卻時間足夠(即結(jié)溫能冷卻至底板溫度，一般為大于6τ時間［5］），PIN 管允許最大結(jié)溫為TJMAX，則由式(1）、(2）可得PIN 管最大脈沖輸入功率為

由式(3）可知，PIN 管最大脈沖輸入功率與最大允許結(jié)溫、熱阻、溫度時間常數(shù)及脈寬等都有關(guān)系。當(dāng)脈寬tp趨于無窮大，則得PIN 管最大連續(xù)波輸入功率為

由式(3）、(4）可得最大脈沖輸入功率與最大連續(xù)波輸入功率的關(guān)系:

將式(3）和式(5）比較可知，式(3）涉及參數(shù)較多，在實(shí)際使用中通過式(3）求解最大脈沖輸入功率不方便。式(5）相對簡單，涉及參數(shù)較少，只要知道PIN 管的最大連續(xù)波輸入功率及溫度時間常數(shù)就可以。在PIN 管產(chǎn)品手冊中一般都給出最大連續(xù)波輸入功率，溫度時間常數(shù)將在后面根據(jù)已知條件進(jìn)行求解。

由式(5）可得最大脈沖輸入功率隨脈寬變化如圖2所示。由圖2 可知，在選定PIN 管后，PIN 管參數(shù)確定，則最大脈沖輸入功率只與脈寬有關(guān)，隨脈寬的增大而減小。

圖2 最大脈沖輸入功率隨脈寬變化

2.3 溫度時間常數(shù)

溫度時間常數(shù)τ 是求解PIN 管最大脈沖輸入功率的重要參數(shù)，溫度時間常數(shù)可表示為［5］

其中CT為熱容。PIN 管廠商一般只提供熱阻θJC值，而沒有熱容CT值，因此應(yīng)用式(6）對溫度時間常數(shù)直接求解較困難。然而，PIN 管廠商提供最大連續(xù)波輸入功率指標(biāo)及一種脈寬條件下的最大脈沖輸入功率指標(biāo)，因此通過反推導(dǎo)就能得到溫度時間常數(shù)由式(5）可得

其中PinMAX(tpA）為產(chǎn)品手冊上提供的脈寬為tpA時的最大脈沖輸入功率。

由以上分析可知，限幅器的最大輸入功率取決于第一級限幅，在脈沖功率限幅器設(shè)計時，可先采用式(7）求得溫度時間常數(shù)，再用式(5）對最大脈沖輸入功率進(jìn)行估算，從而選擇合適參數(shù)的PIN 管，設(shè)計出滿足應(yīng)用要求的限幅器。

3 實(shí)驗(yàn)電路及測試

研制的限幅器實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示，采用三級限幅，第一級采用Skyworks 公司的CLA 4607-000 PIN 限幅管，第二級采用該公司的CLA 4603-000 PIN 限幅管，第三級采用反向并聯(lián)肖特基二級管對，使得限幅器具有較小的泄漏功率。由前面分析，限幅器的最大輸入功率取決于第一級限幅，CLA 4607-000 最大連續(xù)波輸入功率6 W(頻率1 GHz，環(huán)境溫度25℃），最大脈沖輸入功率60 dBm(頻率1 GHz，脈寬1 μs，占空比0.1%，環(huán)境溫度25 ℃），由式(7）可得CLA 4607-000的溫度時間常數(shù)約為166 μs，由式(5）可得對于脈寬25 μs 脈沖信號(冷卻時間大于），能承受功率43 W。

圖3 限幅器實(shí)驗(yàn)電路

采用如圖4所示測試裝置對限幅器進(jìn)行測試，信號源輸出脈沖微波信號經(jīng)功率放大器放大輸入至限幅器，脈沖功率計用于測量限幅器輸出泄漏功率。測試中，限幅器輸入脈沖功率43 W，頻率1 GHz，脈寬25 μs，占空比1%。功率計檢得限幅器輸出信號功率約12 dBm。測試系統(tǒng)對限幅器實(shí)驗(yàn)電路連續(xù)測試30 min，限幅器輸出信號穩(wěn)定，電路功能完好。

圖4 限幅器測試裝置框圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種脈沖功率限幅器設(shè)計方法，根據(jù)PIN 限幅二極管熱損壞原理分析了限幅器最大輸入功率限制的原因及影響因素，進(jìn)而求得PIN 限幅二極管溫度時間常數(shù)及任意脈寬下最大脈沖輸入功率。研制的限幅器實(shí)驗(yàn)電路在輸入脈沖功率43 W、頻率1 GHz、脈寬25 μs、占空比1%條件下工作正常，驗(yàn)證了本設(shè)計方法的正確性。本設(shè)計方法可用于脈沖限幅器設(shè)計，滿足脈沖體制雷達(dá)等脈沖工作系統(tǒng)中接收機(jī)限幅保護(hù)應(yīng)用的需要。

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［5］skyworks solutions application note.PIN Limiter Diodes in Receiver Protectors.www.skyworksinc.com.