作者：Adam Winter and Jerry Cornwell

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)鍵組件，在這種系統(tǒng)中，需要在寬輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定/壓縮的輸出功率。這些電子戰(zhàn)系統(tǒng)通常需要高增益和平坦的響應(yīng)，并且必須在惡劣的熱環(huán)境中工作。要在多倍頻程頻段上保持可接受的可靠性能，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)放大器鏈。放大器鏈的級(jí)聯(lián)和飽和不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致性能不可靠和不可預(yù)測(cè)。本文演示了一種2 GHz至18 GHz設(shè)計(jì)，使用ADI器件在–40°C至+85°C范圍內(nèi)可實(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。通過(guò)利用ADI獨(dú)特的MMIC優(yōu)勢(shì)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，我們能夠提供卓越的解決方案，以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)高級(jí)應(yīng)用的需求。所達(dá)到的性能的測(cè)試結(jié)果如下所示。

1.0 簡(jiǎn)介

許多現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要能夠在多倍頻程帶寬上承受寬輸入功率變化的低噪聲接收器。這些接收器對(duì)于保護(hù)敏感元件免受RF過(guò)驅(qū)或消除輸入信號(hào)中的AM調(diào)制是必要的。此外，多通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和靠近接收器天線(xiàn)產(chǎn)生了對(duì)低功耗和小封裝尺寸的要求。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)必須在很寬的熱范圍內(nèi)工作，并且在所有工作條件下都需要低諧波含量的平坦頻率響應(yīng)。ADI公司的限幅放大器具有業(yè)界領(lǐng)先的封裝尺寸、電氣/RF性能以及易于集成到更高級(jí)別的組件中，因此非常適合許多此類(lèi)應(yīng)用。微波限幅放大器是一種高增益、多級(jí)放大器，通過(guò)隨著輸入功率的增加連續(xù)壓縮內(nèi)部增益級(jí)來(lái)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，可避免在所有工作條件下過(guò)驅(qū)動(dòng)單個(gè)增益級(jí)。與寬帶限幅放大器設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)包括多倍頻程帶寬上的有效功率限制、熱補(bǔ)償和頻率均衡。此外，系統(tǒng)對(duì)低噪聲、低功耗和小封裝尺寸的要求增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

本文回顧了2 GHz至18 GHz限幅放大器的設(shè)計(jì)考慮因素和技術(shù)，要求增益為45 ±1.5 dB，工作溫度范圍為–40°C至+85°C，直流小于1.5 W，限幅動(dòng)態(tài)范圍為40 dB。限制動(dòng)態(tài)范圍定義為RF輸出功率固定的輸入功率范圍。ADI提供滿(mǎn)足這些要求的寬帶2 GHz至18 GHz限幅放大器產(chǎn)品HMC7891。該放大器在密封的連接器封裝中包括內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)。

2.0 結(jié)構(gòu)和放大器注意事項(xiàng)

微波限幅放大器設(shè)計(jì)從向下選擇首選結(jié)構(gòu)方法和內(nèi)部增益級(jí)放大器開(kāi)始。對(duì)于高頻應(yīng)用，混合芯片和電線(xiàn)組件通常優(yōu)于表面貼裝設(shè)計(jì)，以最大程度地減少封裝寄生效應(yīng)引起的有害性能影響，并且混合芯片和電線(xiàn)組件的可靠性被認(rèn)為優(yōu)越，因?yàn)榛旌辖M件經(jīng)過(guò)徹底檢查，非常適合處理環(huán)境壓力。此外，這些組件體積小、重量輕且易于密封。混合芯片和電線(xiàn)組件由裸片形式的單片微波集成電路 （MMIC）、薄膜技術(shù)和引線(xiàn)鍵合無(wú)源元件組成。

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、飽和諧波含量和非線(xiàn)性性能。成功的限幅放大器設(shè)計(jì)可最大限度地減少增益級(jí)和獨(dú)特的器件數(shù)量，從而減少熱補(bǔ)償和平坦度挑戰(zhàn)。此外，成功與否在很大程度上取決于器件最大輸入功率額定值和所選增益級(jí)的壓縮特性。為了完成具有40 dB限制動(dòng)態(tài)范圍要求的設(shè)計(jì)，建議至少使用4個(gè)增益級(jí)，以便理想情況下，每個(gè)放大器級(jí)的工作壓縮速率不超過(guò)10 dB。四個(gè)增益級(jí)也應(yīng)足以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)45 dB的小信號(hào)增益要求。

寬帶MMIC增益模塊放大器或低噪聲放大器（LNA）具有高增益和低功耗性能，是限制放大器設(shè)計(jì)的良好選擇。噪聲系數(shù)要求通常會(huì)確定需要使用低噪聲放大器而不是增益模塊放大器。然而，LNA增益級(jí)可能會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊腞F輸入額定功率通常較低。理想的增益級(jí)器件具有較高的最大RF輸入功率額定值，并且可以在高壓縮水平下安全運(yùn)行。

另一個(gè)重要的考慮因素是每個(gè)增益級(jí)的飽和諧波成分。諧波含量要求取決于限幅放大器的應(yīng)用。例如，用于生成方波輸出波形的應(yīng)用需要使用具有低偶次諧波輸出和強(qiáng)奇次諧波輸出的增益級(jí)放大器。為避免損壞輸出波形，在所有四個(gè)增益級(jí)位置使用相同的器件很有用。最后，所選的MMIC放大器必須無(wú)條件穩(wěn)定，理想情況下沒(méi)有偏置時(shí)序要求，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

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，需要5 V單電源，增益大于13 dB，具有出色的2 GHz至18 GHz增益平坦度和平均2.5 dB噪聲系數(shù)。該器件具有 18 dBm 飽和輸出功率電平，可在整個(gè)頻段內(nèi)安全地以大于 14 dB 的壓縮速度運(yùn)行。最大輸入額定功率幾乎相當(dāng)于器件的飽和輸出功率，非常適合在一系列級(jí)聯(lián)增益級(jí)中工作。二階諧波低，MMIC具有強(qiáng)而平坦的三階諧波。飽和直流功率小于 400 mW。

3.0 射頻預(yù)算分析

在選擇限幅放大器增益級(jí)之后，有必要考慮RF系統(tǒng)預(yù)算分析。RF預(yù)算分析檢查限幅放大器內(nèi)各個(gè)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，以校正最壞情況下的工作溫度、增益斜率和寬RF輸入功率范圍。如第2.0節(jié)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四個(gè)增益模塊放大器或LNA的級(jí)聯(lián)系列。理想的設(shè)計(jì)僅使用一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)特的放大器部件號(hào)來(lái)減少功率隨頻率的變化，并最大限度地減少熱/斜率補(bǔ)償要求。

圖1顯示了溫度校正和斜率補(bǔ)償前的首次通過(guò)初步限幅放大器框圖。完成寬帶限幅放大器設(shè)計(jì)的一種推薦技術(shù)是：

管理限制功率動(dòng)態(tài)范圍并消除射頻過(guò)驅(qū)條件。

在整個(gè)溫度范圍內(nèi)優(yōu)化性能。

通過(guò)校正電源滾降并平坦小信號(hào)增益來(lái)完成設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)中包含頻率均衡后，可能需要進(jìn)行最后的小幅校正以重新審視溫度補(bǔ)償。

圖1.初步框圖。

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輸入功率的增加，RF過(guò)驅(qū)可能發(fā)生在輸出增益級(jí)。當(dāng)任何增益級(jí)的飽和輸出功率超過(guò)該系列中后續(xù)放大器的絕對(duì)最大輸入時(shí)，將發(fā)生RF過(guò)驅(qū)。此外，該設(shè)計(jì)容易受到VSWR相關(guān)紋波的影響，并且由于小型RF封裝內(nèi)的高無(wú)阻尼增益，極有可能發(fā)生振蕩。

為了防止RF過(guò)驅(qū)，降低VSWR效應(yīng)并降低振蕩風(fēng)險(xiǎn)，請(qǐng)?jiān)诿總€(gè)增益級(jí)之間添加固定衰減器以降低功耗和增益。射頻蓋上可能還需要一個(gè)射頻吸收器來(lái)消除振蕩。需要足夠的衰減才能將每個(gè)增益級(jí)的最大輸入功率降低到MMIC的額定輸入功率電平以下。必須包括足夠的衰減，以適應(yīng)頂級(jí)輸入功率裕度，并考慮熱和器件間的變化。圖2顯示了限幅放大器鏈中需要RF衰減器的位置。

圖2.框圖，射頻過(guò)驅(qū)校正。

ADI寬帶限幅放大器HMC7891采用四個(gè)HMC462增益級(jí)，設(shè)計(jì)工作頻率高達(dá)10 dBm。絕對(duì)最大輸入功率為15 dBm。每個(gè)增益級(jí)可承受18 dBm的最大RF輸入。根據(jù)上一段概述的設(shè)計(jì)步驟，在增益級(jí)之間增加了衰減器，以確保最大放大器輸入功率電平不超過(guò)17 dBm。圖3顯示了在設(shè)計(jì)中添加固定衰減器后，每個(gè)增益級(jí)輸入端的最大功率電平。

圖3.模擬P外與頻率的關(guān)系，射頻過(guò)驅(qū)校正。

3.2 熱補(bǔ)償

第二步是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，以增加工作溫度范圍。限幅放大器應(yīng)用的常見(jiàn)溫度范圍要求是–40°C至+85°C。 0.01 dB/°/級(jí)的經(jīng)驗(yàn)法則增益變化公式可用于近似四級(jí)放大器設(shè)計(jì)的增益變化。增益隨著溫度的降低而增加，反之亦然。以環(huán)境增益為基準(zhǔn)，預(yù)計(jì)總增益在85°C時(shí)降低2.4 dB，在–40°C時(shí)增加2.6 dB。

為了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱補(bǔ)償，可以插入市售的Thermopad溫度可變衰減器來(lái)代替固定衰減器。圖4顯示了寬帶商用Thermopad衰減器的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)Thermopad測(cè)試數(shù)據(jù)和近似增益變化，很明顯，需要兩個(gè)Thermopad衰減器來(lái)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)的熱墊損耗。

決定將熱墊插入何處是一個(gè)重要的決定。由于Thermopad衰減器的損耗增加，特別是在低溫下，最好避免在RF鏈的輸出附近添加組件，以保持較高的限制輸出功率水平。理想的Thermopad位置位于前三個(gè)放大器級(jí)之間，如圖5所示。

圖5.框圖，熱補(bǔ)償。

ADI公司熱補(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，增益變化降至最大2.5 dB。這在±1.5 dB增益變化要求之內(nèi)。

圖6.HMC7891仿真了隨溫度變化的小信號(hào)增益。

3.3 頻率均衡

最后的設(shè)計(jì)步驟是通過(guò)集成頻率均衡來(lái)提高增益平坦度。頻率均衡通過(guò)向系統(tǒng)引入正增益斜率來(lái)補(bǔ)償大多數(shù)寬帶放大器中的自然增益滾降。存在各種均衡器設(shè)計(jì)，包括無(wú)源砷化鎵MMIC芯片。無(wú)源MMIC均衡器是限制放大器設(shè)計(jì)的理想選擇，因?yàn)樗鼈兂叽缧。瑳](méi)有直流和控制信號(hào)要求。所需頻率均衡器的數(shù)量取決于限幅放大器的未補(bǔ)償增益斜率和所選均衡器的響應(yīng)。設(shè)計(jì)建議是稍微過(guò)度補(bǔ)償頻率響應(yīng)，以考慮傳輸線(xiàn)損耗、連接器損耗和封裝寄生效應(yīng)，這些器件在較高頻率下對(duì)增益的影響大于較低頻率。定制ADI砷化鎵頻率均衡器的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7.測(cè)得的頻率均衡器損耗。

ADI公司的HMC7891限幅放大器需要三個(gè)頻率均衡器來(lái)校正熱補(bǔ)償小信號(hào)響應(yīng)。圖8顯示了HMC7891的熱補(bǔ)償和頻率均衡仿真結(jié)果。決定在何處插入均衡器對(duì)于成功的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在添加任何均衡器之前，重要的是要記住，理想的限幅放大器在所有增益級(jí)上均勻分布最大放大器壓縮，以避免過(guò)飽和。換句話(huà)說(shuō)，在最壞情況下，每個(gè)MMIC應(yīng)該被同樣壓縮。

圖8.HMC7891仿真頻率均衡小信號(hào)增益隨溫度變化。

在設(shè)計(jì)的當(dāng)前階段，如圖5所示，可以在器件輸入端添加均衡器，與Thermopad衰減器串聯(lián)，代替固定衰減器或在器件輸出端。在限幅放大器輸入端增加均衡器會(huì)降低第一增益級(jí)的功耗。結(jié)果，第 1 階段壓縮降低。增益級(jí)壓縮的降低相當(dāng)于限制動(dòng)態(tài)范圍的減小。此外，由于均衡器的衰減斜率，限制動(dòng)態(tài)范圍隨頻率分散。動(dòng)態(tài)范圍在較低頻率下比在較高頻率下降低得更多。為了補(bǔ)償限制動(dòng)態(tài)范圍的降低，RF輸入功率必須增加。然而，由于均衡器的斜率，均勻增加輸入功率會(huì)增加放大器增益級(jí)過(guò)驅(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。可以在設(shè)備輸入端添加均衡器，但這不是理想的位置。

接下來(lái)，添加一個(gè)與Thermopad串聯(lián)的均衡器將減少后續(xù)放大器的壓縮。這會(huì)導(dǎo)致放大器壓縮在增益級(jí)之間的分布不均勻，并降低整體限制動(dòng)態(tài)范圍。不建議使用與熱墊衰減器串聯(lián)的均衡器。

第三，用一個(gè)（或多個(gè)）均衡器代替固定衰減器只會(huì)改變輸出級(jí)放大器的壓縮電平。為了盡量減少這種變化并避免RF過(guò)驅(qū)，均衡器損耗應(yīng)大致等于從系統(tǒng)中移除的固定衰減值。此外，如前所述，在增益級(jí)之前添加均衡器會(huì)在限制動(dòng)態(tài)范圍與頻率時(shí)產(chǎn)生色散。為了盡量減少這種影響，請(qǐng)盡可能少地替換均衡器。

最后，可以在器件輸出端添加均衡器。輸出均衡會(huì)降低輸出功率，但不會(huì)產(chǎn)生有限的動(dòng)態(tài)范圍色散。輸出均衡確實(shí)會(huì)產(chǎn)生略微正的輸出功率斜率，但該斜率會(huì)被高頻封裝和連接器損耗所抵消。完整的四級(jí)限幅放大器布局如圖9所示。

圖9.框圖，頻率均衡。

圖10顯示了ADI公司HMC7891的輸出功率與溫度仿真結(jié)果的關(guān)系。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了40 dB的極限動(dòng)態(tài)范圍，在所有工作條件下的模擬最差情況下輸出功率變化為3 dB。

圖 10.HMC7891仿真P坐與溫度變化的頻率。

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。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠在13 dBm的飽和輸出功率下實(shí)現(xiàn)47 dB增益。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 的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試。 HMC7891的照片如下圖所示圖19。雖然HMC7891主要設(shè)計(jì)為限幅放大器，但小尺寸和出色的RF性能使其適用于各種應(yīng)用，包括用作頻率三倍器或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)，修改規(guī)格要求，如頻率、輸出功率、增益、NF或限制動(dòng)態(tài)范圍。

圖 11.HMC7891測(cè)得的P坐與溫度變化的頻率。

圖 12.HMC7891測(cè)量增益和回波損耗。

圖 13.HMC7891測(cè)得的P外vs. P在在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 2 GHz。

圖 14.HMC7891測(cè)得的P外vs. P在在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 10 GHz。

圖 15.HMC7891測(cè)得的P外vs. P在在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 18 GHz。

圖 16.HMC7891在整個(gè)溫度范圍內(nèi)測(cè)量了噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系。

圖 17.HMC7891在P坐過(guò)溫。

圖 18.HMC7891在P坐.

審核編輯：郭婷