小型化S波段限幅低噪聲放大器設(shè)計(jì)探討

徐 敏，華文藝

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

0 引言

限幅低噪聲放大器作為雷達(dá)接收系統(tǒng)中的重要組成部分，它的限幅功率、噪聲系數(shù)、體積等指標(biāo)的優(yōu)劣對接收系統(tǒng)來說都是至關(guān)重要的。現(xiàn)隨著半導(dǎo)體集成電路的材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，限幅低噪聲放大器正朝向一體化全單片集成的發(fā)展方向快速迭代。目前階段已實(shí)現(xiàn)了 PIN限幅二極管電路與平衡式低噪聲放大器集成于同一GaAs襯底的一體化集成限幅低噪聲放大器單片[1]，但是由于受到加工工藝技術(shù)及其材料散熱的局限，這些一體化限幅低噪聲放大器單片電路往往都是采取了反射式結(jié)構(gòu)，其輸入端對于脈沖信號的耐受功率均不超過150W。在2015年Qorvo公司就推出了一款工作頻率2～4GHz，限幅功率能達(dá)200W的TGL2927-SM型限幅器單片（脈寬500 s，占空比15%），但對耐受功率高于200W，寬脈寬（ms量級）大，占空比（25%以上）的吸收式限幅低噪聲放大器，目前還是無法通過半導(dǎo)體單片式工藝一體化進(jìn)行集成。

本文就研究通過微波薄膜混合集成電路工藝與GaAs單片集成電路的工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種能實(shí)現(xiàn)耐受200W限幅功率，噪聲系數(shù)小于1.1dB，其中的低噪聲放大器設(shè)計(jì)就采用了“可重構(gòu)”式低噪聲放大單片的設(shè)計(jì)思路，通過片外匹配較好地實(shí)現(xiàn)了低噪聲與小體積的技術(shù)難題。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)后可應(yīng)用于各型雷達(dá)的接收前端，從而實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

1 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的限幅低噪聲放大器主要由3dB耦合電橋、限幅器、平衡式低噪聲放大器組成。其中3dB耦合器采用Lange電橋形式，限幅器采用半有源式耦合檢波限幅與無源限幅相結(jié)合的方式，平衡式低噪聲放大器采用了“可重構(gòu)”式的低噪聲放大器單片。在采用平衡式電路結(jié)構(gòu)時能有效地改善放大電路中輸入端和輸出端口的駐波比，在電路設(shè)計(jì)時不必過于關(guān)注端口的駐波比匹配，而是可以重點(diǎn)關(guān)注電路最佳噪聲系數(shù)的匹配。該結(jié)構(gòu)可使限幅功率提高一倍，同時借助于輸入Lange電橋的隔離電阻完成吸收式限幅器設(shè)計(jì)[2]。整個限幅低噪聲放大器的電原理圖見圖 1（P285）所示。

圖1 電原理框圖

整個電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)為大功率的限幅與小體積的盒體引起的高能量散熱問題，以及低噪聲放大器的低噪聲與小體積設(shè)計(jì)。

1.1 大功率Lange電橋電路設(shè)計(jì)

輸入端的Lange電橋采用氧化鋁（AL2O3）陶瓷基板，通過電磁場軟件仿真及實(shí)驗(yàn)反復(fù)修正、完善，克服了lange電橋1/4波長受盒體8mm寬度限制而產(chǎn)生的微波不連續(xù)性影響，合理設(shè)置了交叉指微帶線的寬度及間距，利用微波混合集成電路工藝完成了200W輸入的Lange電橋設(shè)計(jì)。200W輸入功率狀態(tài)下（脈寬3ms，占空比30%）小信號輸入時Lange電橋插損與駐波比仿真曲線。

1.2 限幅器電路設(shè)計(jì)

限幅器按工作方式可分為反射式和吸收式兩種，按工作原理可分為有源和無源限幅兩種。在這里由于我們考慮到200W的限幅功率與殼體盡量小體積的限制，所以采用半有源式限幅電路與無源式限幅相結(jié)合的方式進(jìn)行，該類限幅電路的最主要優(yōu)點(diǎn)是承受功率大、響應(yīng)速度快、插損小、限幅電平低、恢復(fù)時間快。所謂半有源式限幅電路就是通過在電路中增加耦合支路將檢波二極管引入到限幅器的輸入端以獲取足夠大的射頻信號，從而確保檢波二極管能夠整流出足夠大的直流電流，促使PIN限幅二極管更好地導(dǎo)通[4]。其電路原理圖如圖2（P285）所示。

圖2 限幅器電原理圖

從電路圖中我們發(fā)現(xiàn)耗散功率最大的就是D4～D6 PIN限幅管芯，通過精確計(jì)算，進(jìn)入單端限幅支路的最大輸入功率約為135W，管芯上耗散功率約為12W。對前級PIN限幅二極管管芯D4～D6的最高結(jié)溫在135℃左右，滿足硅PIN二極管最高結(jié)溫175℃的降額要求，使前級管芯在完全導(dǎo)通的情況下后可提供大于20dB的隔離度，從而可有效保證后級無源限幅電路的正常工作，使電感L1既能形成直流回路促使D7二極管的導(dǎo)通，又能補(bǔ)償PIN二極管帶來的寄生電容效應(yīng)，便于阻抗匹配[5]。結(jié)合幾輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們最終選擇了合適的二極管芯，完成了相關(guān)限幅器的設(shè)計(jì)。

1.3 大功率負(fù)載電阻設(shè)計(jì)

由于吸收式限幅器的負(fù)載需要吸收限幅電路反射的絕大部分功率，同時又受到體積局限，對其散熱特性提出了很高要求。結(jié)合軟件分別對氮化鋁、氧化鈹、金剛石3種材質(zhì)耐100W連續(xù)波功率的電阻膜面積進(jìn)行了比對，其中金剛石材料由于熱導(dǎo)率為1200W/（m·K）非常適合本文小體積負(fù)載的具體要求，考慮到吸收負(fù)載在裝配時采用AuSn焊料燒結(jié)，我們利用薄膜光刻工藝在金剛石背面制作了TiW/Ni/Au三層結(jié)構(gòu)，在正面濺射了氮化鉭（TaN）膜電阻。對負(fù)載建立熱仿真模型，從仿真結(jié)果來看當(dāng)環(huán)境溫度為70℃時，最高電阻膜溫小于170℃，能夠滿足負(fù)載的可靠性設(shè)計(jì)要求。

1.4 “可重構(gòu)”式低噪聲放大器單片設(shè)計(jì)

考慮到產(chǎn)品外形尺寸及低噪聲系數(shù)要求，采用柵長0.15um，柵寬800um的PHEMT放大管芯設(shè)計(jì)了“可重構(gòu)”式GaAs低噪聲放大器單片。較傳統(tǒng)全片上匹配低噪放單片，該方案將低噪放單片的前級輸入匹配在片外通過高Q值鍵合金絲進(jìn)行匹配，提高匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值，降低損耗，達(dá)到最佳噪聲系數(shù)匹配。“可重構(gòu)”式低噪聲放大器單片既利用單片工藝提高集成度，降低電路尺寸，提高性能一致性，又利用混合集成的優(yōu)勢提高匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值。對于噪聲系數(shù)要求較低且受到電路尺寸限制的低噪放，“可重構(gòu)”式低噪聲放大器單片是一種很好的解決方案。圖3（P285）為單端低噪放單片電原理圖。

圖3 單端低噪放單片電原理圖

圖4 噪聲系數(shù)仿真對比圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)低成本、大功率限幅、小體積的市場要求，采用鋁合金金屬結(jié)構(gòu)盒體，管殼采用鋁合金6061（熱導(dǎo)率167 W/（m·K）、CTE23.6Χ10-6/℃），蓋板采用鋁合金4041，通過激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)氣密封裝為適應(yīng)裝配時的熱應(yīng)力匹配，采用AuSn焊料（80%Au20%Sn）將金剛石負(fù)載、PIN限幅二極管芯燒結(jié)于0.2mm厚鉬銅墊片，再將鉬銅墊片、輸入端絕緣子，電源端絕緣子、輸出端 SMP接頭采用SnAg3.5焊膏燒結(jié)于管殼上，電路陶瓷基板則采用了導(dǎo)電膠粘接于鉬銅墊片。

3 測試結(jié)果及分析

對限幅低噪聲放大器各技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了全面測試。圖5為限幅低噪聲放大器在小信號（Pin=-35dBm）狀態(tài)下增益與頻率關(guān)系圖，增益達(dá)到28dB，增益平坦度達(dá)到0.2dB，此時輸入、輸出駐波比小于1.3，噪聲系數(shù)小于1.1dB，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于13.0dBm。

圖5 限幅低噪聲放大器小信號增益

4 結(jié)論

本文基于微波薄膜混合集成電路工藝與GaAs單片集成電路工藝制作了一款S波段頻率范圍內(nèi)、耐受200W限幅功率的低噪聲、小體積放大器（寬度僅為8mm）。其采用的“可重構(gòu)”式低噪聲放大器單片設(shè)計(jì)思路為解決此類小體積、低噪聲的放大器提供了一種很好的解決方案。測試結(jié)果表明電路的設(shè)計(jì)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，也驗(yàn)證了電路形式的選取和設(shè)計(jì)方法的正確性。該限幅低噪聲放大器具有帶寬頻、小體積、限幅功率大、低噪聲等特點(diǎn)，其工程化的應(yīng)用也保證了產(chǎn)品的一致性、可靠性，可廣泛應(yīng)用于各型雷達(dá)的接收前端。