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寬帶高動態(tài)范圍限幅放大器

發(fā)布時間：2019-11-28 來源：Adam Winter 和 Jerry Cornwell 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】寬帶高動態(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，因為這些系統(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。要在多個倍頻程頻段內(nèi)保持可接受且可靠的性能，需要對放大器鏈進行精心設(shè)計。放大器鏈的不當(dāng)級聯(lián)和飽和可能導(dǎo) 致性能不可靠且無法預(yù)測。

本文將演示2 GHz至18 GHz的設(shè)計，它使用ADI器件實現(xiàn)大于40 dB的限幅動態(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獨特的MMIC優(yōu)勢和子系統(tǒng)設(shè) 計能力，我們能夠提供出色的解決方案，滿足客戶對高級應(yīng)用的需求。下文展示了性能測試結(jié)果。

1.0簡介

很多新型EW系統(tǒng)需要低噪聲接收機，能夠耐受多個倍頻程帶寬范圍內(nèi)的寬輸入功率變化。這些接收機是保護敏感元器件免受 RF過驅(qū)影響、消除傳入信號AM調(diào)制所必需的。此外，由于采用多通道系統(tǒng)設(shè)計并且靠近接收機天線，因而需要低功耗和小封裝尺寸。應(yīng)用包括IFM和測向前端、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放大器，隨著輸入功率增加而連續(xù)壓縮內(nèi)部增益級，從而限制輸出功率。增益級從輸出級向輸入壓縮，其設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，能夠在所有工作條件下避免各個增益級過驅(qū)。寬帶限幅放大器設(shè)計面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括有效功率限制、熱補償、多個倍頻程帶寬范圍內(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)計的復(fù)雜性。

本文將回顧2 GHz至18 GHz限幅放大器的設(shè)計考慮因素和技巧，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的限幅動態(tài)范圍。限幅動態(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HMC7891HMC7891，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)計首先是選擇首選構(gòu)建方法和內(nèi)部增益級放大器。對于高頻應(yīng)用，混合芯片和電線組件通常優(yōu)于表面貼裝設(shè)計，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，因為混合組件經(jīng)過了徹底檢測，能夠很好地應(yīng)對環(huán)境壓力。此外，這些組件體積小，重量輕，易于密封。混合芯片和電線組件包括裸片形式的單芯片微波集成電路(MMIC)、薄膜技術(shù)、可線焊的無源組件。

選擇內(nèi)部增益級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)計應(yīng)該最大程度地減少增益級和專用器件數(shù)，以減少熱補償和平坦度問題。此外，設(shè)計成功很大程度上還取決于器件最大輸入功率額定值，以及所選增益級的壓縮特性。為了完成具有40 dB限幅動態(tài)范圍要求的設(shè)計，建議部署至少四個增益級，理想情況下，每個放大器級將在小于10 dB的壓縮條件下工作。四個增益級還應(yīng)在溫度范圍內(nèi)充分實現(xiàn)45 dB的小信號增益要求。

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。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增益級可能帶來設(shè)計挑戰(zhàn)。理想的增益級器件具有較高的最大RF輸入功率額定值，在高壓縮級別下能夠安全工作。

另一個重要考慮因素是每個增益級的飽和諧波成分。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奇次諧波輸出的增益級放大器。為了避免破壞輸出波形，最好在所有四個增益級位置使用相同的器件。最后，所選MMIC放大器必須無條件地保持穩(wěn)定，理想情況下無偏置序列要求，以簡化設(shè)計。

HMC462 是完成限幅放大器設(shè)計的理想MMIC。HMC462是一款自偏置LNA，僅需單個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聯(lián)增益級中工作。二階諧波很低，MMIC具有強大的平坦三階諧波。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后，接下來應(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)不同測試點的寬帶頻率響應(yīng)和RF功率電平。必須完成分析，才能針對最壞情況的工作溫度、增益斜率和寬RF輸入功率范圍進行校正。如第2.0部分所述，具有40 dB限幅動態(tài)范圍的限幅放大器的基本布局是級聯(lián)的四個增益模塊放大器或LNA。理想的設(shè)計僅使用一個或兩個專用放大器器件，以減少在不同頻率下的功率變化，最大程度地減少熱/斜率補償需求。

圖1顯示了溫度校正和斜率補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)計的一種推薦技巧是：

1. 管理限幅功率動態(tài)范圍，消除RF過驅(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，將小信號增益變平。

4. 最后一個細微校正可能是必需的，即在頻率均衡功能被納入設(shè)計后，重新考慮溫度補償。

圖1. 初步設(shè)計框圖。

3.1 功率限制

圖1所示初步設(shè)計的主要問題是，隨著RF輸入功率增加，RF過驅(qū)很可能在輸出增益級發(fā)生。當(dāng)任何增益級的飽和輸出功率超過隊列中下一個放大器的絕對最大輸入時，將發(fā)生RF過驅(qū)。此外，設(shè)計容易出現(xiàn)與VSWR相關(guān)的紋波，由于小型RF封裝中的高無阻尼增益，還很可能出現(xiàn)振蕩。

為了防止RF過驅(qū)、消除VSWR效應(yīng)并降低振蕩風(fēng)險，可在各增益級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過驅(qū)校正框圖。

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

圖3. 仿真POUT和頻率的關(guān)系，RF過驅(qū)校正

3.2 熱補償

第二個步驟是對設(shè)計進行熱補償，以便擴大工作溫度范圍。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， 0.01 dB/°/級的增益變化公式可用于估算四級放大器設(shè)計的增益變化。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。

為對設(shè)計進行熱補償，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衰減器的測試結(jié)果。根據(jù)Thermopad測試數(shù)據(jù)和估算的增益變化，顯然需要使用兩個Thermopad衰減器，對四級限幅放大器設(shè)計進行熱補償。

圖4. 溫度范圍內(nèi)的Thermopad損耗。

決定在何處插入Thermopad是一個重要決策。由于Thermopad衰減器的損耗會增加，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放大器級之間，也就是圖5中突出顯示的位置。

圖5. 熱補償框圖。

ADI的熱補償HMC7891小信號性能的仿真結(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仿真小信號增益。

3.3 頻率均衡

從而補償大多數(shù)寬帶放大器中的自然增益滾降。有各種均衡器設(shè)計，包括無源GaAs MMIC芯片。無源MMIC均衡器尺寸小巧，沒有直流和控制信號要求，因此非常適合限幅放大器設(shè)計。需要的頻率均衡器數(shù)量取決于限幅放大器的未補償增益斜率，以及所選均衡器的響應(yīng)。一條設(shè)計建議是輕微地過度補償頻率響應(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頻率均衡器的測試結(jié)果。

圖7. 測量的頻率均衡器損耗。

ADI的HMC7891限幅放大器需要三個頻率均衡器，以校正經(jīng)過熱補償?shù)男⌒盘栱憫?yīng)。圖8顯示了HMC7891經(jīng)過熱補償和頻率均衡的仿真結(jié)果。決定在何處插入均衡器對成功設(shè)計至關(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)在所有增益級之間均勻分布最大放大器壓縮，以避免過度飽和。換而言之，在最壞條件下，每個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增益。

在圖5所示的當(dāng)前設(shè)計階段，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降低第一個增益級的功率。因此，級1的壓縮減小。增益級壓縮減小相當(dāng)于限幅動態(tài)范圍減小。另外，由于均衡器的衰減斜率，限幅動態(tài)范圍在頻率范圍內(nèi)分散。頻率越低，動態(tài)范圍縮小越多。為了補償縮小的限幅動態(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增加放大器增益級過驅(qū)的風(fēng)險。可以在器件輸入端添加均衡器，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。這會導(dǎo)致放大器壓縮在增益級之間分布不均勻，縮小整體限幅動態(tài)范圍。不建議將均衡器與Thermopad衰減器串聯(lián)。

第三，使用一個或多個均衡器替代固定衰減器，只會改變輸出級放大器的壓縮水平。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，在增益級之前添加均衡器，將會導(dǎo) 致限幅動態(tài)范圍與頻率的分散。為了最大程度地減少這種效應(yīng)，請?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。輸出均衡會減小輸出功率，但不會產(chǎn)生限幅動態(tài)范圍分散。輸出均衡會產(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)計實現(xiàn)了40 dB的限幅動態(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限幅放大器測試結(jié)果

HMC7891的測試結(jié)果如圖11至圖18所示。這些結(jié)果證明，該設(shè) 計能夠?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行了測試。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)計技術(shù)可用于未來的限幅放大器設(shè)計，對規(guī)格要求進行了修改，例如頻率、輸出功率、增益、噪聲系數(shù)或限幅動態(tài)范圍。