基于HFSS的毫米波限幅航插的研究

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(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著現代微波武器的飛速發展，其對航空領域各類電子控制器的大功率干擾已經成為目前需要解決的重要問題之一，而限幅器作為一種微波控制器件能夠起到至關重要的作用[1-2]。限幅器主要用于阻止大功率信號進入電子控制器，對其內部的元器件造成損傷，在低功率時對輸入信號沒有影響，在功率增加到規定值即門限電平時，輸入信號通過限幅器后將產生很大的衰減，此后輸入功率繼續增大時，輸出功率將保持不變。目前限幅器技術比較成熟，國內在低頻段的研究文獻和產品很多，其中南京電子器件研究所研制的限幅器達到了國外同類商用限幅器的性能[3]；而對于高頻段限幅器的研究，國外Cernex公司的限幅器可以在26～40 GHz的工作范圍內，滿足插入損耗小于1 dB、駐波優于2∶1的性能要求[4]，國內在該頻段的研究工作較少，并且主要采用“路”的思路來設計限幅器[5]。西北核技術研究所李勇等人對PIN二極管在EMP作用下的響應進行了研究[6]，對PIN限幅器全物理器件模型的建立有著指導意義，對于采用“場”的思路設計限幅器具有參考價值。

在傳統航空領域，通常將限幅器模塊單獨設計并用線纜與航空插頭前端相連接，隨著射頻技術的發展，國內也有將其集成于電子控制器電路板上的設計。前者可能造成更多的插入損耗并且增大了控制器空間，而由于航空發動機超高溫的限制，控制器僅位于壓氣機機匣表面有限冷端空間內，所以減小控制器所占空間對于航空發動機尤其重要；后者一旦損壞，需更換整個控制器電路板，成本較高，操作復雜，并且不方便進行維護和改進。在此，考慮了上述2種方案的利弊，提出了將限幅器集成于航空插頭針腳內部的設計方案，既減少了控制器空間又能夠起到限幅器的效果，并利用Ansoft公司三維電磁仿真軟件HFSS進行了建模與仿真驗證[7-11]。

1 限幅器的設計與仿真

1.1 限幅二極管的建模

本文選用Skyworks公司的型號為CLA4601- 000和CLA4609-000的PIN限幅二極管，其為典型的臺式結構，物理結構截面如圖1所示，考慮到二極管的結構，所以將它們并聯于微帶電路中，構成寬帶低通濾波網絡。商家推薦工作頻率為30 GHz以內，其中CLA4601-000二極管I層厚度為1 μm，在0 V的結電容為0.12 pF，在10 mA的總串聯電阻為2.5 Ω，最大連續波承受功率為2 W; CLA4609-000二極管I層厚度為28 μm，在0 V的結電容為0.26 pF，在10 mA的總串聯電阻為1.5 Ω，最大連續波承受功率為20 W。

圖1 PIN二極管截面

P層和N層都具有較高的摻雜濃度，P層一般很薄，其電阻值在毫歐級別，通常在分析計算中可以忽略；N層厚度一般是最厚的，其電阻值在幾百毫歐級別，構成了二極管的最低阻抗，其電阻值為：

Rlayer=ρlayer×Tlayer/Alayer

(1)

ρlayer為電阻率；Tlayer為厚度；Alayer為面積。

I層位于P層和N層之間，理想狀態為不摻雜層，實際為極低摻雜的本征半導體層，阻值可以達到幾百歐姆甚至上千歐姆，I層阻值為：

(2)

w為厚度；IF為偏置電流；μA為載流子遷移率；TL為最少遷移時間。I層的阻值也可以通過式(1)近似計算得到。

限幅二極管等效電路[12-13]如圖2所示，Rs為二極管串聯電阻；CP為寄生電容；Cj為零偏置結電容；Rj為二極管結電阻。

圖2 限幅二極管等效電路

在HFSS中建立了PIN二極管的物理結構仿真模型，其材料參數設置如表1所示。電導率根據式(1)和式(2)計算得到，采用的鍵合金絲直徑為18 μm，拱高為0.2 mm，跨距為0.3 mm。通過去嵌入式阻抗場計算方法[14-16]，得到其S參數文件；根據等效電路模型，通過擬合S參數幅度和相位曲線，得到二極管的等效寄生集總參數數值。

1.2 限幅器的設計與建模

本文采用將2個PIN限幅管并聯于微帶電路中的方法，來實現對輸入信號功率的控制，兩者間隔1/4波長，電路原理如圖3所示。第1級PIN二極管采用CLA4609-000，其可承受高功率的信號，進行初步衰減；第2級二極管采用CLA4601-000，其I層較薄，可以有效地減少尖峰泄漏能量，兩者配合使用可以起到很好的限幅效果。為了在輸入輸出端隔離直流電流，接入了2個超寬帶電容；直流偏置電路通過射頻扼流電感接地實現。

圖3 限幅器設計原理

利用HFSS仿真軟件，結合上文限幅二極管的建模，建立如圖4所示的限幅器場仿真模型，由SMA接口、限幅二極管、射頻扼流電感和電路基板組成。其中，限幅器電路板采用Duriod-5880材料，其厚度為0.254 mm，SMA接口通過0.3 mm的絕緣子針與限幅器輸入輸出端相連。通過調整限幅器匹配阻抗線的長度與寬度，以實現所要求的插入損耗和駐波指標，最終仿真結果如圖5所示，在25～35 GHz內，限幅器的插入損耗小于1 dB，駐波比優于1.4∶1，插入損耗在高頻段時迅速增加。

圖4 限幅器場仿真模型

圖5 限幅器仿真結果

2 限幅航插的設計與建模

2.1 限幅航插的設計

本文對MIL-DTL-38999標準下的某一圓型航空插頭進行改進，在插頭針腳內加入上文所設計的限幅器，其結構示意如圖6所示。該型插頭的針直徑為2.5 mm,長度為17.5 mm,限幅器安裝部位的直徑為3.5 mm，長度為6.2 mm,限幅器外部屏蔽層材料與針腳材料一致，限幅器的輸入輸出通過0.3 mm的絕緣子針與插頭針腳連接。

圖6 限幅航插結構示意

2.2 建模與仿真結果對比

在HFSS電磁仿真軟件中，建立限幅器連接普通航插結構的整體場仿真模型如圖7所示。兩者之間通過0.3 mm的銅線相連接，在限幅管小信號狀態下，通過仿真計算得到限幅器輸入端與航插針腳的輸出端之間的插入損耗和駐波。

圖7 限幅器連接普通航插結構的整體場仿真模型

建立限幅航插針腳的整體場仿真模型如圖8所示。將限幅器集成于航插針腳內部，在限幅管小信號狀態下，通過仿真計算得到限幅航插針腳輸出端和輸入端之間的插入損耗和駐波。

圖8 限幅航插的整體場仿真模型

普通航插與限幅航插的仿真結果如圖9所示。在全頻段范圍內，兩者的曲線變化趨勢相同且插損最大為3.5 dB，而限幅航插的插損都小于普通航插外接限幅器的插損，并且在低頻段限幅航插插入損耗變化較慢；兩者的駐波比都優于2∶1且變化趨勢大致相同，限幅航插在全頻段范圍內的駐波比基本小于普通航插。

圖9 仿真結果

3 結束語

提出了一種將限幅器集成于航插針腳內部的設計方法，并基于限幅器整體場仿真模型的建立方法，分別建立了普通航插與限幅航插的整體場仿真模型。通過HFSS進行仿真計算可知，使用限幅航插方式的插入損耗和駐波比，都要優于普通航插與限幅器相連接方式的插入損耗和駐波比，驗證了其優越性，并且限幅航插的設計可提高航空發動機內部空間利用率。