基于P I N管的開關限幅器仿真與設計

摘要：隨著通信系統發射功率的增加，高功率容量、高隔離度、低插損、短響應時間的射頻開關限幅對其后續電路的保護尤其重要。文章主要介紹了PIN管射頻開關限幅的原理，設計了一個工作于220～270MHz，插入損耗小于0．5dB，隔離度大于60dB，駐波比小于1．5dB，功率容量300W，開關時間小于1μs的大功率開關限幅器。該開關限幅器具有小信號低損耗直通，大信號大衰減限幅的特點。利用ADS仿真軟件對其仿真，并對加工出來的開關限幅器進行了測試，結果驗證了各項指標滿足要求。
關鍵詞：PIN開關；開關限幅；ADS；插入損耗；隔離度

0 引言
隨著雷達接收、電子對抗、航天電子產品、微波通訊的飛速發展，開關限幅器越來越得到廣泛的應用，大功率的開關限幅器也正基于這種需要，對大功率信號進行通斷控制和限幅，以保護后續電路的可靠工作。
本開關限幅組件作為整機接收前端的自動保護裝置，具有在大功率信號下大衰減限幅，在小功率信號下快速恢復低損耗直通的工作特點，必須具有可以承受高達數百瓦大功率微波信號的能力，這都是通過開關限幅組件中的PIN二極管來實現。

1 開關限幅器的設計
1．1 原理簡介
本開關限幅組件前端采用單刀雙擲吸收式開關。一端輸出接大功率負載，另一端輸出接限幅電路。當有大功率信號接入時，PN開關打到大功率負載處，信號全部吸收，組件呈大衰減限幅狀態。
當小功率信號時，PIN開關打到限幅電路，第一級采用I層較厚的PIN管，以承受較大的功率，后級I層厚度遞減，使限幅門限降低，信號進行一定電平限幅，小信號低損直通。
1．2 電路設計
在同步承受300W的峰值功率下，設計了如圖1所示的電路圖。

C1、C4、C6、C7是大功率耦合隔直電容器，V1、V2、V3、V4是大功率PIN開關二極管，L1、L2、L3是扼流圈，C2和L1、L2和C3、L3和C5組成一個低通濾波器。R1、C2、L1組成匹配濾波，BIAS1、BIAS2為偏置電壓，由驅動電路提供。R2、R3為上拉電阻，限流保護PIN管，R4為大阻值吸收電阻。V5、V6、V7、V8是限幅二極管，V5、V6采用高電壓管芯(I層較厚)的PIN管，同向并聯在一起，等分頻電流，提高功率承受能力，V7、V8采用低電壓管芯(I層厚度較小)的PIN管。
大信號從RF IN端接入時，由驅動電路控制BIASl為低電平，V1導通，V3截止，同時BIAS2控制為高電平，V2截止，V4導通，射頻功率被大功率電阻吸收，電路呈大衰減限幅狀態；小功率信號從RF IN端接入時，控制BIAS1為高電平，V1截止，V3導通，同時控制BIAS2為低電平，V2導通，V4截止，小信號經過一定限幅后低損直通。V7、V8先導通，對V5、V6呈高阻抗，縮短其導通時間，為V7、V8作反射保護，V5、V6限幅至一定幅度，V7、V8再次降低限幅門限。
在保證功率容量的前提下，前級采用能承受輸入大功率信號的PIN二極管，后級逐步衰減。在入射脈沖上升期間，由于低電壓管芯I層薄，首先變成低阻抗，因此低電壓管芯在脈沖上升初始階段提供保護。I層較厚的管芯隨功率增加逐漸導通。只要有適當的管間距，使導通的二極管對前級二極管呈現高阻抗，縮短前級二級管的導通時間，為大部分功率被前級二極管反射提供保護，防止I層較薄的二極管燒毀。

2 開關限幅器的仿真與測試
2．1 利用ADS軟件進行開關限幅電路仿真
利用ADS軟件對所要求的指標進行仿真和優化，PIN二極管V1、V2、V3、V4采用MA4P504-302型號，主要參數為Rs最大為0．6 Ω，Cj為0．2pF，最大反偏電壓為500V；V5、V6主要參數Rs為4 Ω，Cj為0．1 5pF，最大反偏電壓為75V；V7、V8主要參數Rs為4 Ω，Cj為0．1pF，最大反偏電壓為30V。通過調節電感量和在PIN管之間由一定長度的微帶線連接來滿足性能指標。仿真結果如下圖所示。