寬帶高動(dòng)態(tài)范圍限幅放大器

Adam Winter 高級(jí)微波設(shè)計(jì)工程師

Jerry Cornwell 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)理

摘要

寬帶高動(dòng)態(tài)范圍微波限幅放大器是電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，因?yàn)檫@些系統(tǒng)需要在很寬的輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定/壓縮輸出功率。這些EW系統(tǒng)通常需要高增益和平坦的響應(yīng)，必須能夠在惡劣熱環(huán)境中工作。要在多個(gè)倍頻程頻段內(nèi)保持可接受且可靠的性能，需要對(duì)放大器鏈進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。放大器鏈的不當(dāng)級(jí)聯(lián)和飽和可能導(dǎo)致性能不可靠且無(wú)法預(yù)測(cè)。本文將演示2 GHz至18 GHz的設(shè)計(jì)，它使用ADI器件實(shí)現(xiàn)大于40 dB的限幅動(dòng)態(tài)范圍，輸出功率變化小于2 dB，噪聲系數(shù)為4 dB，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。利用ADI獨(dú)特的MMIC優(yōu)勢(shì)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，我們能夠提供出色的解決方案，滿足客戶對(duì)高級(jí)應(yīng)用的需求。下文展示了性能測(cè)試結(jié)果。

1.0 簡(jiǎn)介

很多新型EW系統(tǒng)需要低噪聲接收機(jī)，能夠耐受多個(gè)倍頻程帶寬范圍內(nèi)的寬輸入功率變化。這些接收機(jī)是保護(hù)敏感元器件免受RF過(guò)驅(qū)影響、消除傳入信號(hào)AM調(diào)制所必需的。此外，由于采用多通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且靠近接收機(jī)天線，因而需要低功耗和小封裝尺寸。應(yīng)用包括IFM和測(cè)向前端、DRFM和干擾器系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，在所有工作條件下都需要平坦的頻率響應(yīng)和低諧波成分。ADI的限幅放大器擁有業(yè)界領(lǐng)先的封裝尺寸、電氣/RF性能，易于集成到更高級(jí)別的組件中，非常適合很多前述應(yīng)用。微波限幅放大器是高增益多級(jí)放大器，隨著輸入功率增加而連續(xù)壓縮內(nèi)部增益級(jí)，從而限制輸出功率。增益級(jí)從輸出級(jí)向輸入壓縮，其設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠在所有工作條件下避免各個(gè)增益級(jí)過(guò)驅(qū)。寬帶限幅放大器設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括有效功率限制、熱補(bǔ)償、多個(gè)倍頻程帶寬范圍內(nèi)的頻率均衡。此外，低噪聲、低功耗和小封裝尺寸的系統(tǒng)要求也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

本文將回顧2 GHz至18 GHz限幅放大器的設(shè)計(jì)考慮因素和技巧，要求45 ±1.5 dB的增益、–40°C至+85°C的工作溫度范圍、小于1.5 W dc功率、40 dB的限幅動(dòng)態(tài)范圍。限幅動(dòng)態(tài)范圍定義為RF輸出功率固定的輸入功率范圍。ADI提供2 GHz至18 GHz寬帶限幅放大器產(chǎn)品HMC7891，滿足上述要求。該放大器包括內(nèi)部穩(wěn)壓功能，采用密封連接器式封裝。

2.0 構(gòu)建和放大器考慮因素

微波限幅放大器設(shè)計(jì)首先是選擇首選構(gòu)建方法和內(nèi)部增益級(jí)放大器。對(duì)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(jì)，以便最大程度地減少由于封裝寄生效應(yīng)導(dǎo)致的不良性能影響，混合芯片和電線組件的可靠性非常出色，因?yàn)榛旌辖M件經(jīng)過(guò)了徹底檢測(cè)，能夠很好地應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力。此外，這些組件體積小，重量輕，易于密封?；旌闲酒碗娋€組件包括裸片形式的單芯片微波集成電路（MMIC）、薄膜技術(shù)、可線焊的無(wú)源組件。

選擇內(nèi)部增益級(jí)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、飽和諧波成分、非線性性能。成功的限幅放大器設(shè)計(jì)應(yīng)該最大程度地減少增益級(jí)和專用器件數(shù)，以減少熱補(bǔ)償和平坦度問(wèn)題。此外，設(shè)計(jì)成功很大程度上還取決于器件最大輸入功率額定值，以及所選增益級(jí)的壓縮特性。為了完成具有40 dB限幅動(dòng)態(tài)范圍要求的設(shè)計(jì)，建議部署至少四個(gè)增益級(jí)，理想情況下，每個(gè)放大器級(jí)將在小于10 dB的壓縮條件下工作。四個(gè)增益級(jí)還應(yīng)在溫度范圍內(nèi)充分實(shí)現(xiàn)45 dB的小信號(hào)增益要求。

由于具有高增益和低功耗性能，寬帶MMIC增益模塊放大器或低噪聲放大器（LNA）適合用于限幅放大器設(shè)計(jì)。噪聲系數(shù)要求通常需要使用低噪聲放大器，而不是增益模塊放大器。但是，由于RF輸入功率額定值通常較低，LNA增益級(jí)可能帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。理想的增益級(jí)器件具有較高的最大RF輸入功率額定值，在高壓縮級(jí)別下能夠安全工作。

另一個(gè)重要考慮因素是每個(gè)增益級(jí)的飽和諧波成分。諧波成分要求取決于限幅放大器的應(yīng)用。例如，對(duì)于旨在生成方波輸出波形的應(yīng)用，需要使用具有較低偶次諧波輸出和較強(qiáng)奇次諧波輸出的增益級(jí)放大器。為了避免破壞輸出波形，最好在所有四個(gè)增益級(jí)位置使用相同的器件。最后，所選MMIC放大器必須無(wú)條件地保持穩(wěn)定，理想情況下無(wú)偏置序列要求，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

寬帶高動(dòng)態(tài)范圍限幅放大器

HMC462是完成限幅放大器設(shè)計(jì)的理想MMIC。HMC462是一款自偏置LNA，僅需單個(gè)5 V電源，提供大于13 dB的增益、2 GHz至18 GHz的極佳增益平坦度、平均2.5 dB的噪聲系數(shù)。該器件具有18 dBm的飽和輸出功率電平，能夠在頻段范圍內(nèi)安全地運(yùn)行大于14 dB的壓縮。最大輸入功率額定值幾乎與器件的飽和輸出功率相等，這使得它非常適合在一系列級(jí)聯(lián)增益級(jí)中工作。二階諧波很低，MMIC具有強(qiáng)大的平坦三階諧波。飽和dc功率低于400 mW。

3.0 RF預(yù)算分析

選擇限幅放大器增益級(jí)后，接下來(lái)應(yīng)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)不同測(cè)試點(diǎn)的寬帶頻率響應(yīng)和RF功率電平。必須完成分析，才能針對(duì)最壞情況的工作溫度、增益斜率和寬RF輸入功率范圍進(jìn)行校正。如第2.0部分所述，具有40 dB限幅動(dòng)態(tài)范圍的限幅放大器的基本布局是級(jí)聯(lián)的四個(gè)增益模塊放大器或LNA。理想的設(shè)計(jì)僅使用一個(gè)或兩個(gè)專用放大器器件，以減少在不同頻率下的功率變化，最大程度地減少熱/斜率補(bǔ)償需求。

圖1顯示了溫度校正和斜率補(bǔ)償之前的首批初始限幅放大器框圖。完成寬帶限幅放大器設(shè)計(jì)的一種推薦技巧是：

1. 管理限幅功率動(dòng)態(tài)范圍，消除RF過(guò)驅(qū)條件。

2. 優(yōu)化溫度范圍內(nèi)的性能

3. 最后，校正功率滾降，將小信號(hào)增益變平。

4. 最后一個(gè)細(xì)微校正可能是必需的，即在頻率均衡功能被納入設(shè)計(jì)后，重新考慮溫度補(bǔ)償。

圖1.初步設(shè)計(jì)框圖。

3.1 功率限制

圖1所示初步設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是，隨著RF輸入功率增加，RF過(guò)驅(qū)很可能在輸出增益級(jí)發(fā)生。當(dāng)任何增益級(jí)的飽和輸出功率超過(guò)隊(duì)列中下一個(gè)放大器的絕對(duì)最大輸入時(shí)，將發(fā)生RF過(guò)驅(qū)。此外，設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)與VSWR相關(guān)的紋波，由于小型RF封裝中的高無(wú)阻尼增益，還很可能出現(xiàn)振蕩。

為了防止RF過(guò)驅(qū)、消除VSWR效應(yīng)并降低振蕩風(fēng)險(xiǎn)，可在各增益級(jí)之間添加固定衰減器，以降低功率和增益。RF蓋上還可能需要RF吸收器以消除振蕩。需要足夠的衰減，將各增益級(jí)的最大輸入功率減小到MMIC的額定輸入功率電平以下。必須包括足夠的衰減，以容納頂級(jí)輸入功率裕量，適應(yīng)溫度變化和器件間差異。圖2顯示了限幅放大器鏈中需要RF衰減器的位置。

圖2.RF過(guò)驅(qū)校正框圖。

ADI的寬帶限幅放大器HMC7891采用四個(gè)HMC462增益級(jí)，以便讓工作范圍達(dá)到10 dBm。絕對(duì)最大輸入功率為15 dBm。各增益級(jí)能夠耐受18 dBm的最大RF輸入。按照上一段中概述的設(shè)計(jì)步驟，已在兩個(gè)增益級(jí)之間添加衰減器，以確保最大放大器輸入功率電平不超過(guò)17 dBm。圖3顯示在設(shè)計(jì)中添加固定衰減器的情況下，每個(gè)增益級(jí)輸入端的最大功率電平。

圖3.仿真POUT和頻率的關(guān)系，RF過(guò)驅(qū)校正。

3.2 熱補(bǔ)償

第二個(gè)步驟是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，以便擴(kuò)大工作溫度范圍。限幅放大器應(yīng)用的通用熱范圍要求為-40°C至+85°C。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，0.01 dB/°/級(jí)的增益變化公式可用于估算四級(jí)放大器設(shè)計(jì)的增益變化。增益隨著溫度降低而增加，反之亦然。使用周邊環(huán)境增益作為基線，總增益預(yù)期在85°C下降低2.4 dB，在–40°C下上升2.6 dB。

為對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，可插入市售的Thermopad?溫度可變衰減器，以取代固定衰減器。圖4顯示了市售的寬帶Thermopad衰減器的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)Thermopad測(cè)試數(shù)據(jù)和估算的增益變化，顯然需要使用兩個(gè)Thermopad衰減器，對(duì)四級(jí)限幅放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償。

圖4.溫度范圍內(nèi)的Thermopad損耗。

決定在何處插入Thermopad是一個(gè)重要決策。由于Thermopad衰減器的損耗會(huì)增加，特別是在低溫條件下，因此避免在接近RF鏈輸出端的位置添加元器件是一種好的做法，這是為了維持較高的限制輸出功率電平。Thermopad的理想位置是在前三個(gè)放大器級(jí)之間，也就是圖5中突出顯示的位置。

圖5.熱補(bǔ)償框圖。

ADI的熱補(bǔ)償HMC7891小信號(hào)性能的仿真結(jié)果如圖6所示。在頻率均衡之前，增益變化減少至最高2.5 dB。這在±1.5 dB增益變化要求的范圍內(nèi)。

圖6.溫度范圍內(nèi)的HMC7891仿真小信號(hào)增益。

3.3 頻率均衡

最后一個(gè)設(shè)計(jì)步驟是通過(guò)采用頻率均衡，提高增益平坦度。頻率均衡可為系統(tǒng)引入正增益斜率，從而補(bǔ)償大多數(shù)寬帶放大器中的自然增益滾降。有各種均衡器設(shè)計(jì)，包括無(wú)源GaAs MMIC芯片。無(wú)源MMIC均衡器尺寸小巧，沒(méi)有直流和控制信號(hào)要求，因此非常適合限幅放大器設(shè)計(jì)。需要的頻率均衡器數(shù)量取決于限幅放大器的未補(bǔ)償增益斜率，以及所選均衡器的響應(yīng)。一條設(shè)計(jì)建議是輕微地過(guò)度補(bǔ)償頻率響應(yīng)，以抵消傳輸線路損耗和連接器損耗，以及在較高頻率下對(duì)增益影響更大的封裝寄生效應(yīng)。圖7顯示了定制ADI GaAs頻率均衡器的測(cè)試結(jié)果。

圖7.測(cè)量的頻率均衡器損耗。

ADI的HMC7891限幅放大器需要三個(gè)頻率均衡器，以校正經(jīng)過(guò)熱補(bǔ)償?shù)男⌒盘?hào)響應(yīng)。圖8顯示了HMC7891經(jīng)過(guò)熱補(bǔ)償和頻率均衡的仿真結(jié)果。決定在何處插入均衡器對(duì)成功設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在添加任何均衡器之前，切記理想的限幅放大器應(yīng)在所有增益級(jí)之間均勻分布最大放大器壓縮，以避免過(guò)度飽和。換而言之，在最壞條件下，每個(gè)MMIC應(yīng)該同等壓縮。

圖8.溫度范圍內(nèi)的HMC7891仿真頻率均衡小信號(hào)增益。

在圖5所示的當(dāng)前設(shè)計(jì)階段，可在器件輸入端添加與Thermopad衰減器串聯(lián)的均衡器，取代器件輸出端的固定衰減器。在限幅放大器輸入端添加均衡器會(huì)降低第一個(gè)增益級(jí)的功率。因此，級(jí)1的壓縮減小。增益級(jí)壓縮減小相當(dāng)于限幅動(dòng)態(tài)范圍減小。另外，由于均衡器的衰減斜率，限幅動(dòng)態(tài)范圍在頻率范圍內(nèi)分散。頻率越低，動(dòng)態(tài)范圍縮小越多。為了補(bǔ)償縮小的限幅動(dòng)態(tài)范圍，RF輸入功率必須升高。但是，由于均衡器的斜率，輸入功率不均勻地升高又會(huì)增加放大器增益級(jí)過(guò)驅(qū)的風(fēng)險(xiǎn)?？梢栽谄骷斎攵颂砑泳馄?，但這不是理想的位置。

其次，添加與Thermopad串聯(lián)的均衡器，將減小后續(xù)放大器的壓縮。這會(huì)導(dǎo)致放大器壓縮在增益級(jí)之間分布不均勻，縮小整體限幅動(dòng)態(tài)范圍。不建議將均衡器與Thermopad衰減器串聯(lián)。

第三，使用一個(gè)或多個(gè)均衡器替代固定衰減器，只會(huì)改變輸出級(jí)放大器的壓縮水平。為了最大程度地減小這種變化，并且避免RF過(guò)驅(qū)，均衡器損耗應(yīng)與從系統(tǒng)中刪除的固定衰減值大致相等。此外，正如上文所述，在增益級(jí)之前添加均衡器，將會(huì)導(dǎo)致限幅動(dòng)態(tài)范圍與頻率的分散。為了最大程度地減少這種效應(yīng)，請(qǐng)?zhí)鎿Q盡可能少的均衡器。

最后，均衡器可以添加到器件輸出端。輸出均衡會(huì)減小輸出功率，但不會(huì)產(chǎn)生限幅動(dòng)態(tài)范圍分散。輸出均衡會(huì)產(chǎn)生略正輸出功率斜率，但這種斜率被高頻封裝和連接器損耗抵消。完成的四級(jí)限幅放大器布局如圖9所示。

圖9.頻率均衡框圖。

圖10顯示了ADI HMC7891的輸出功率與溫度仿真結(jié)果。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了40 dB的限幅動(dòng)態(tài)范圍，在所有工作條件下，仿真的最壞情況輸出功率變化為3 dB。

圖10.溫度范圍內(nèi)，HMC7891的仿真PSAT與頻率的關(guān)系。

4.0 ADI限幅放大器測(cè)試結(jié)果

HMC7891的測(cè)試結(jié)果如圖11至圖18所示。這些結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)47 dB的增益，飽和輸出功率為13 dBm。放大器的輸入功率范圍為-30 dBm至+10 dBm，限幅動(dòng)態(tài)范圍為40 dB。該裝置在–40°C至+85°C的工作溫度范圍中進(jìn)行了測(cè)試。下面的圖19顯示了HMC7891的照片。雖然HMC7891最初是作為限幅放大器設(shè)計(jì)的，但憑借小巧尺寸和出色的RF性能，它在各種不同應(yīng)用中都能發(fā)揮作用，包括用作三倍頻器和LO放大器。本文所述的設(shè)計(jì)技術(shù)可用于未來(lái)的限幅放大器設(shè)計(jì)，對(duì)規(guī)格要求進(jìn)行了修改，例如頻率、輸出功率、增益、噪聲系數(shù)或限幅動(dòng)態(tài)范圍。

圖11.溫度范圍內(nèi)，HMC7891的測(cè)量PSAT與頻率的關(guān)系。

圖12.HMC7891的測(cè)量增益和回波損耗。

圖13.溫度范圍內(nèi)，頻率為2 GHz時(shí)，HMC7891的測(cè)量POUT與PIN的關(guān)系。

圖14.溫度范圍內(nèi)，頻率為10 GHz時(shí)，HMC7891的測(cè)量POUT與PIN的關(guān)系。

圖15.溫度范圍內(nèi)，頻率為18 GHz時(shí)，HMC7891的測(cè)量POUT與PIN的關(guān)系。

圖16.溫度范圍內(nèi)，HMC7891的測(cè)量噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系。

圖17.溫度范圍內(nèi)，HMC7891在PSAT 下的測(cè)量二次諧波與頻率的關(guān)系。

圖18.HMC7891在PSAT下的測(cè)量三次諧波與頻率的關(guān)系。

圖19.HMC7891圖片。

作者簡(jiǎn)介

Adam Winter擁有約翰·霍普金斯大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位，以及科羅拉多大學(xué)波爾得分校電子工程碩士學(xué)位。他在ADI公司擔(dān)任高級(jí)微波設(shè)計(jì)工程師。加入ADI公司之前，Winter先生就職于Lockheed Martin Space Systems。他在軍事/航空RF元器件、模塊、定制組件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域擁有近10年的經(jīng)驗(yàn)，諳熟高功率GaN放大器、毫米波頻率轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機(jī)/接收機(jī)模塊、SSPA和LNA。

Gerald Cornwell擁有新澤西理工學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位。他在本行業(yè)擁有40多年的經(jīng)驗(yàn)，熟悉從設(shè)計(jì)到開(kāi)發(fā)，再到生產(chǎn)的所有方面。加入ADI公司之前，他曾在Raytheon公司開(kāi)發(fā)電子戰(zhàn)系統(tǒng)；在M/A-COM公司擔(dān)任微波子系統(tǒng)部門工程設(shè)計(jì)副總裁，服務(wù)于電子戰(zhàn)、雷達(dá)和導(dǎo)彈市場(chǎng)，以及航空航天和國(guó)防部門首席技術(shù)官；還曾在Cobham Sensor Systems公司擔(dān)任業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部門技術(shù)主管。之后Cornwell先生加入ADI公司，擔(dān)任模塊和子系統(tǒng)部門高級(jí)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理。