Adam Winter 高級微波設計工程師

Jerry Cornwell 產品開發經理

摘要

寬帶高動態范圍微波限幅放大器是電子戰（EW）系統中的關鍵元器件，因為這些系統需要在很寬的輸入功率范圍內提供穩定/壓縮輸出功率。這些EW系統通常需要高增益和平坦的響應，必須能夠在惡劣熱環境中工作。要在多個倍頻程頻段內保持可接受且可靠的性能，需要對放大器鏈進行精心設計。放大器鏈的不當級聯和飽和可能導致性能不可靠且無法預測。本文將演示2 GHz至18 GHz的設計，它使用ADI器件實現大于40 dB的限幅動態范圍，輸出功率變化小于2 dB，噪聲系數為4 dB，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。利用ADI獨特的MMIC優勢和子系統設計能力，我們能夠提供出色的解決方案，滿足客戶對高級應用的需求。下文展示了性能測試結果。

1.0 簡介

很多新型EW系統需要低噪聲接收機，能夠耐受多個倍頻程帶寬范圍內的寬輸入功率變化。這些接收機是保護敏感元器件免受RF過驅影響、消除傳入信號AM調制所必需的。此外，由于采用多通道系統設計并且靠近接收機天線，因而需要低功耗和小封裝尺寸。應用包括IFM和測向前端、DRFM和干擾器系統。這些系統必須在很寬的溫度范圍內工作，在所有工作條件下都需要平坦的頻率響應和低諧波成分。ADI的限幅放大器擁有業界領先的封裝尺寸、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壓縮內部增益級，從而限制輸出功率。增益級從輸出級向輸入壓縮，其設計經過優化，能夠在所有工作條件下避免各個增益級過驅。寬帶限幅放大器設計面臨著諸多挑戰，包括有效功率限制、熱補償、多個倍頻程帶寬范圍內的頻率均衡。此外，低噪聲、低功耗和小封裝尺寸的系統要求也增加了設計的復雜性。

本文將回顧2 GHz至18 GHz限幅放大器的設計考慮因素和技巧，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的限幅動態范圍。限幅動態范圍定義為RF輸出功率固定的輸入功率范圍。ADI提供2 GHz至18 GHz寬帶限幅放大器產品HMC7891，滿足上述要求。該放大器包括內部穩壓功能，采用密封連接器式封裝。

2.0 構建和放大器考慮因素

微波限幅放大器設計首先是選擇首選構建方法和內部增益級放大器。對于高頻應用，混合芯片和電線組件通常優于表面貼裝設計，以便最大程度地減少由于封裝寄生效應導致的不良性能影響，混合芯片和電線組件的可靠性非常出色，因為混合組件經過了徹底檢測，能夠很好地應對環境壓力。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、可線焊的無源組件。

選擇內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計應該最大程度地減少增益級和專用器件數，以減少熱補償和平坦度問題。此外，設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限幅動態范圍要求的設計，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。四個增益級還應在溫度范圍內充分實現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計。噪聲系數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增益級可能帶來設計挑戰。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用。例如，對于旨在生成方波輸出波形的應用，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定，理想情況下無偏置序列要求，以簡化設計。

寬帶高動態范圍限幅放大器

HMC462是完成限幅放大器設計的理想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。該器件具有18 dBm的飽和輸出功率電平，能夠在頻段范圍內安全地運行大于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預算分析

選擇限幅放大器增益級后，接下來應考慮RF系統預算分析。RF預算分析檢查限幅放大器內不同測試點的寬帶頻率響應和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限幅動態范圍的限幅放大器的基本布局是級聯的四個增益模塊放大器或LNA。理想的設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計的一種推薦技巧是：

1. 管理限幅功率動態范圍，消除RF過驅條件。

2. 優化溫度范圍內的性能

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計后，重新考慮溫度補償。

圖1.初步設計框圖。

3.1 功率限制

圖1所示初步設計的主要問題是，隨著RF輸入功率增加，RF過驅很可能在輸出增益級發生。當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，將發生RF過驅。此外，設計容易出現與VSWR相關的紋波，由于小型RF封裝中的高無阻尼增益，還很可能出現振蕩。

為了防止RF過驅、消除VSWR效應并降低振蕩風險，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和頻率的關系，RF過驅校正。

3.2 熱補償

第二個步驟是對設計進行熱補償，以便擴大工作溫度范圍。限幅放大器應用的通用熱范圍要求為-40°C至+85°C。根據經驗，0.01 dB/°/級的增益變化公式可用于估算四級放大器設計的增益變化。增益隨著溫度降低而增加，反之亦然。使用周邊環境增益作為基線，總增益預期在85°C下降低2.4 dB，在–40°C下上升2.6 dB。

為對設計進行熱補償，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衰減器的測試結果。根據Thermopad測試數據和估算的增益變化，顯然需要使用兩個Thermopad衰減器，對四級限幅放大器設計進行熱補償。

圖4.溫度范圍內的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。

圖6.溫度范圍內的HMC7891仿真小信號增益。

3.3 頻率均衡

最后一個設計步驟是通過采用頻率均衡，提高增益平坦度。頻率均衡可為系統引入正增益斜率，從而補償大多數寬帶放大器中的自然增益滾降。有各種均衡器設計，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計。需要的頻率均衡器數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。一條設計建議是輕微地過度補償頻率響應，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。圖7顯示了定制ADI GaAs頻率均衡器的測試結果。

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，以校正經過熱補償的小信號響應。圖8顯示了HMC7891經過熱補償和頻率均衡的仿真結果。決定在何處插入均衡器對成功設計至關重要。在添加任何均衡器之前，切記理想的限幅放大器應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應該同等壓縮。

圖8.溫度范圍內的HMC7891仿真頻率均衡小信號增益。

在圖5所示的當前設計階段，可在器件輸入端添加與Thermopad衰減器串聯的均衡器，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于限幅動態范圍減小。另外，由于均衡器的衰減斜率，限幅動態范圍在頻率范圍內分散。頻率越低，動態范圍縮小越多。為了補償縮小的限幅動態范圍，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的風險。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串聯的均衡器，將減小后續放大器的壓縮。這會導致放大器壓縮在增益級之間分布不均勻，縮小整體限幅動態范圍。不建議將均衡器與Thermopad衰減器串聯。

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，均衡器損耗應與從系統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，將會導致限幅動態范圍與頻率的分散。為了最大程度地減少這種效應，請替換盡可能少的均衡器。

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，但不會產生限幅動態范圍分散。輸出均衡會產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果。最終設計實現了40 dB的限幅動態范圍，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，HMC7891的仿真PSAT與頻率的關系。

4.0 ADI限幅放大器測試結果

HMC7891的測試結果如圖11至圖18所示。這些結果證明，該設計能夠實現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計的，但憑借小巧尺寸和出色的RF性能，它在各種不同應用中都能發揮作用，包括用作三倍頻器和LO放大器。本文所述的設計技術可用于未來的限幅放大器設計，對規格要求進行了修改，例如頻率、輸出功率、增益、噪聲系數或限幅動態范圍。

圖11.溫度范圍內，HMC7891的測量PSAT與頻率的關系。

圖12.HMC7891的測量增益和回波損耗。

圖13.溫度范圍內，頻率為2 GHz時，HMC7891的測量POUT與PIN的關系。

圖14.溫度范圍內，頻率為10 GHz時，HMC7891的測量POUT與PIN的關系。

圖15.溫度范圍內，頻率為18 GHz時，HMC7891的測量POUT與PIN的關系。

圖16.溫度范圍內，HMC7891的測量噪聲系數與頻率的關系。

圖17.溫度范圍內，HMC7891在PSAT 下的測量二次諧波與頻率的關系。

圖18.HMC7891在PSAT下的測量三次諧波與頻率的關系。

圖19.HMC7891圖片。

作者簡介

Adam Winter擁有約翰·霍普金斯大學電子工程學士學位，以及科羅拉多大學波爾得分校電子工程碩士學位。他在ADI公司擔任高級微波設計工程師。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、定制組件的設計、開發和生產領域擁有近10年的經驗，諳熟高功率GaN放大器、毫米波頻率轉換器、發射機/接收機模塊、SSPA和LNA。

Gerald Cornwell擁有新澤西理工學院電子工程學士學位。他在本行業擁有40多年的經驗，熟悉從設計到開發，再到生產的所有方面。加入ADI公司之前，他曾在Raytheon公司開發電子戰系統；在M/A-COM公司擔任微波子系統部門工程設計副總裁，服務于電子戰、雷達和導彈市場，以及航空航天和國防部門首席技術官；還曾在Cobham Sensor Systems公司擔任業務開發部門技術主管。之后Cornwell先生加入ADI公司，擔任模塊和子系統部門高級業務開發經理。