宽带高动态范围限制放大器

作者：Adam Winter and Jerry Cornwell

宽带、高动态范围微波限幅放大器是电子战（EW）系统中的关键组件，在这种系统中，需要在宽输入功率范围内提供稳定/压缩的输出功率。这些电子战系统通常需要高增益和平坦的响应，并且必须在恶劣的热环境中工作。要在多倍频程频段上保持可接受的可靠性能，需要仔细设计放大器链。放大器链的级联和饱和不当会导致性能不可靠和不可预测。本文演示了一种2 GHz至18 GHz设计，使用ADI器件在–40°C至+85°C范围内可实现大于40 dB的限幅动态范围，输出功率变化小于2 dB，噪声系数为4 dB。通过利用ADI独特的MMIC优势和子系统设计能力，我们能够提供卓越的解决方案，以满足客户对高级应用的需求。所达到的性能的测试结果如下所示。

1.0 简介

许多现代电子战系统需要能够在多倍频程带宽上承受宽输入功率变化的低噪声接收器。这些接收器对于保护敏感元件免受RF过驱或消除输入信号中的AM调制是必要的。此外，多通道系统设计和靠近接收器天线产生了对低功耗和小封装尺寸的要求。应用包括 IFM 和测向前端、DRFM 和干扰器系统。这些系统必须在很宽的热范围内工作，并且在所有工作条件下都需要低谐波含量的平坦频率响应。ADI公司的限幅放大器具有业界领先的封装尺寸、电气/RF性能以及易于集成到更高级别的组件中，因此非常适合许多此类应用。微波限幅放大器是一种高增益、多级放大器，通过随着输入功率的增加连续压缩内部增益级来限制输出功率。增益级从输出级向输入压缩，其设计经过优化，可避免在所有工作条件下过驱动单个增益级。与宽带限幅放大器设计相关的挑战包括多倍频程带宽上的有效功率限制、热补偿和频率均衡。此外，系统对低噪声、低功耗和小封装尺寸的要求增加了设计的复杂性。

本文回顾了2 GHz至18 GHz限幅放大器的设计考虑因素和技术，要求增益为45 ±1.5 dB，工作温度范围为–40°C至+85°C，直流小于1.5 W，限幅动态范围为40 dB。限制动态范围定义为RF输出功率固定的输入功率范围。ADI提供满足这些要求的宽带2 GHz至18 GHz限幅放大器产品HMC7891。该放大器在密封的连接器封装中包括内部电压调节。

2.0 结构和放大器注意事项

微波限幅放大器设计从向下选择首选结构方法和内部增益级放大器开始。对于高频应用，混合芯片和电线组件通常优于表面贴装设计，以最大程度地减少封装寄生效应引起的有害性能影响，并且混合芯片和电线组件的可靠性被认为优越，因为混合组件经过彻底检查，非常适合处理环境压力。此外，这些组件体积小、重量轻且易于密封。混合芯片和电线组件由裸片形式的单片微波集成电路 （MMIC）、薄膜技术和引线键合无源元件组成。

选择内部增益级的主要考虑因素包括工作频率范围、增益与温度的关系、增益平坦度、饱和谐波含量和非线性性能。成功的限幅放大器设计可最大限度地减少增益级和独特的器件数量，从而减少热补偿和平坦度挑战。此外，成功与否在很大程度上取决于器件最大输入功率额定值和所选增益级的压缩特性。为了完成具有40 dB限制动态范围要求的设计，建议至少使用4个增益级，以便理想情况下，每个放大器级的工作压缩速率不超过10 dB。四个增益级也应足以在整个温度范围内实现45 dB的小信号增益要求。

宽带MMIC增益模块放大器或低噪声放大器（LNA）具有高增益和低功耗性能，是限制放大器设计的良好选择。噪声系数要求通常会确定需要使用低噪声放大器而不是增益模块放大器。然而，LNA增益级可能会带来设计挑战，因为它们的RF输入额定功率通常较低。理想的增益级器件具有较高的最大RF输入功率额定值，并且可以在高压缩水平下安全运行。

另一个重要的考虑因素是每个增益级的饱和谐波成分。谐波含量要求取决于限幅放大器的应用。例如，用于生成方波输出波形的应用需要使用具有低偶次谐波输出和强奇次谐波输出的增益级放大器。为避免损坏输出波形，在所有四个增益级位置使用相同的器件很有用。最后，所选的MMIC放大器必须无条件稳定，理想情况下没有偏置时序要求，以简化设计。

HMC462是完成限幅放大器设计的理想MMIC。HMC462是一款自偏置LNA，需要5 V单电源，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噪声系数。该器件具有 18 dBm 饱和输出功率电平，可在整个频段内安全地以大于 14 dB 的压缩速度运行。最大输入额定功率几乎相当于器件的饱和输出功率，非常适合在一系列级联增益级中工作。二阶谐波低，MMIC具有强而平坦的三阶谐波。饱和直流功率小于 400 mW。

3.0 射频预算分析

在选择限幅放大器增益级之后，有必要考虑RF系统预算分析。RF预算分析检查限幅放大器内各个测试点的宽带频率响应和RF功率电平。必须完成分析，以校正最坏情况下的工作温度、增益斜率和宽RF输入功率范围。如第2.0节所述，具有40 dB限幅动态范围的限幅放大器的基本布局是四个增益模块放大器或LNA的级联系列。理想的设计仅使用一个或两个独特的放大器部件号来减少功率随频率的变化，并最大限度地减少热/斜率补偿要求。

图1显示了温度校正和斜率补偿前的首次通过初步限幅放大器框图。完成宽带限幅放大器设计的一种推荐技术是：

管理限制功率动态范围并消除射频过驱条件。

在整个温度范围内优化性能。

通过校正电源滚降并平坦小信号增益来完成设计。

在设计中包含频率均衡后，可能需要进行最后的小幅校正以重新审视温度补偿。

图1.初步框图。

3.1 功率限制

图1所示初步设计的主要问题是，随着RF输入功率的增加，RF过驱可能发生在输出增益级。当任何增益级的饱和输出功率超过该系列中后续放大器的绝对最大输入时，将发生RF过驱。此外，该设计容易受到VSWR相关纹波的影响，并且由于小型RF封装内的高无阻尼增益，极有可能发生振荡。

为了防止RF过驱，降低VSWR效应并降低振荡风险，请在每个增益级之间添加固定衰减器以降低功耗和增益。射频盖上可能还需要一个射频吸收器来消除振荡。需要足够的衰减才能将每个增益级的最大输入功率降低到MMIC的额定输入功率电平以下。必须包括足够的衰减，以适应顶级输入功率裕度，并考虑热和器件间的变化。图2显示了限幅放大器链中需要RF衰减器的位置。

图2.框图，射频过驱校正。

ADI宽带限幅放大器HMC7891采用四个HMC462增益级，设计工作频率高达10 dBm。绝对最大输入功率为15 dBm。每个增益级可承受18 dBm的最大RF输入。根据上一段概述的设计步骤，在增益级之间增加了衰减器，以确保最大放大器输入功率电平不超过17 dBm。图3显示了在设计中添加固定衰减器后，每个增益级输入端的最大功率电平。

图3.模拟P外与频率的关系，射频过驱校正。

3.2 热补偿

第二步是对设计进行热补偿，以增加工作温度范围。限幅放大器应用的常见温度范围要求是–40°C至+85°C。 0.01 dB/°/级的经验法则增益变化公式可用于近似四级放大器设计的增益变化。增益随着温度的降低而增加，反之亦然。以环境增益为基准，预计总增益在85°C时降低2.4 dB，在–40°C时增加2.6 dB。

为了对设计进行热补偿，可以插入市售的Thermopad温度可变衰减器来代替固定衰减器。图4显示了宽带商用Thermopad衰减器的测试结果。根据Thermopad测试数据和近似增益变化，很明显，需要两个Thermopad衰减器来对四级限幅放大器设计进行热补偿。®

图4.温度范围内的热垫损耗。

决定将热垫插入何处是一个重要的决定。由于Thermopad衰减器的损耗增加，特别是在低温下，最好避免在RF链的输出附近添加组件，以保持较高的限制输出功率水平。理想的Thermopad位置位于前三个放大器级之间，如图5所示。

图5.框图，热补偿。

ADI公司热补偿HMC7891小信号性能的仿真结果如图6所示。在频率均衡之前，增益变化降至最大2.5 dB。这在±1.5 dB增益变化要求之内。

图6.HMC7891仿真了随温度变化的小信号增益。

3.3 频率均衡

最后的设计步骤是通过集成频率均衡来提高增益平坦度。频率均衡通过向系统引入正增益斜率来补偿大多数宽带放大器中的自然增益滚降。存在各种均衡器设计，包括无源砷化镓MMIC芯片。无源MMIC均衡器是限制放大器设计的理想选择，因为它们尺寸小，没有直流和控制信号要求。所需频率均衡器的数量取决于限幅放大器的未补偿增益斜率和所选均衡器的响应。设计建议是稍微过度补偿频率响应，以考虑传输线损耗、连接器损耗和封装寄生效应，这些器件在较高频率下对增益的影响大于较低频率。定制ADI砷化镓频率均衡器的测试结果如图7所示。

图7.测得的频率均衡器损耗。

ADI公司的HMC7891限幅放大器需要三个频率均衡器来校正热补偿小信号响应。图8显示了HMC7891的热补偿和频率均衡仿真结果。决定在何处插入均衡器对于成功的设计至关重要。在添加任何均衡器之前，重要的是要记住，理想的限幅放大器在所有增益级上均匀分布最大放大器压缩，以避免过饱和。换句话说，在最坏情况下，每个MMIC应该被同样压缩。

图8.HMC7891仿真频率均衡小信号增益随温度变化。

在设计的当前阶段，如图5所示，可以在器件输入端添加均衡器，与Thermopad衰减器串联，代替固定衰减器或在器件输出端。在限幅放大器输入端增加均衡器会降低第一增益级的功耗。结果，第 1 阶段压缩降低。增益级压缩的降低相当于限制动态范围的减小。此外，由于均衡器的衰减斜率，限制动态范围随频率分散。动态范围在较低频率下比在较高频率下降低得更多。为了补偿限制动态范围的降低，RF输入功率必须增加。然而，由于均衡器的斜率，均匀增加输入功率会增加放大器增益级过驱的风险。可以在设备输入端添加均衡器，但这不是理想的位置。

接下来，添加一个与Thermopad串联的均衡器将减少后续放大器的压缩。这会导致放大器压缩在增益级之间的分布不均匀，并降低整体限制动态范围。不建议使用与热垫衰减器串联的均衡器。

第三，用一个（或多个）均衡器代替固定衰减器只会改变输出级放大器的压缩电平。为了尽量减少这种变化并避免RF过驱，均衡器损耗应大致等于从系统中移除的固定衰减值。此外，如前所述，在增益级之前添加均衡器会在限制动态范围与频率时产生色散。为了尽量减少这种影响，请尽可能少地替换均衡器。

最后，可以在器件输出端添加均衡器。输出均衡会降低输出功率，但不会产生有限的动态范围色散。输出均衡确实会产生略微正的输出功率斜率，但该斜率会被高频封装和连接器损耗所抵消。完整的四级限幅放大器布局如图9所示。

图9.框图，频率均衡。

图10显示了ADI公司HMC7891的输出功率与温度仿真结果的关系。最终设计实现了40 dB的极限动态范围，在所有工作条件下的模拟最差情况下输出功率变化为3 dB。

图 10.HMC7891仿真P坐与温度变化的频率。

4.0 ADI限幅放大器测试结果

HMC7891的测试结果如图11至图18所示。结果表明，该设计能够在13 dBm的饱和输出功率下实现47 dB增益。放大器的输入功率范围为–30 dBm至+10 dBm，限幅动态范围为40 dB。该装置在 –40°C 至 +85°C 的工作温度范围内进行了测试。 HMC7891的照片如下图所示图19。虽然HMC7891主要设计为限幅放大器，但小尺寸和出色的RF性能使其适用于各种应用，包括用作频率三倍器或LO放大器。本文所述的设计技术可用于未来的限幅放大器设计，修改规格要求，如频率、输出功率、增益、NF或限制动态范围。

图 11.HMC7891测得的P坐与温度变化的频率。

图 12.HMC7891测量增益和回波损耗。

图 13.HMC7891测得的P外vs. P在在整个温度范围内为 2 GHz。

图 14.HMC7891测得的P外vs. P在在整个温度范围内为 10 GHz。

图 15.HMC7891测得的P外vs. P在在整个温度范围内为 18 GHz。

图 16.HMC7891在整个温度范围内测量了噪声系数与频率的关系。

图 17.HMC7891在P坐过温。

图 18.HMC7891在P坐.

审核编辑：郭婷