宽带高动态范围限幅放大器

Adam Winter 高级微波设计工程师

Jerry Cornwell 产品开发经理

摘要

宽带高动态范围微波限幅放大器是电子战（EW）系统中的关键元器件，因为这些系统需要在很宽的输入功率范围内提供稳定/压缩输出功率。这些EW系统通常需要高增益和平坦的响应，必须能够在恶劣热环境中工作。要在多个倍频程频段内保持可接受且可靠的性能，需要对放大器链进行精心设计。放大器链的不当级联和饱和可能导致性能不可靠且无法预测。本文将演示2 GHz至18 GHz的设计，它使用ADI器件实现大于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，工作温度范围为–40°C至+85°C。利用ADI独特的MMIC优势和子系统设计能力，我们能够提供出色的解决方案，满足客户对高级应用的需求。下文展示了性能测试结果。

1.0 简介

很多新型EW系统需要低噪声接收机，能够耐受多个倍频程带宽范围内的宽输入功率变化。这些接收机是保护敏感元器件免受RF过驱影响、消除传入信号AM调制所必需的。此外，由于采用多通道系统设计并且靠近接收机天线，因而需要低功耗和小封装尺寸。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温度范围内工作，在所有工作条件下都需要平坦的频率响应和低谐波成分。ADI的限幅放大器拥有业界领先的封装尺寸、电气/RF性能，易于集成到更高级别的组件中，非常适合很多前述应用。微波限幅放大器是高增益多级放大器，随着输入功率增加而连续压缩内部增益级，从而限制输出功率。增益级从输出级向输入压缩，其设计经过优化，能够在所有工作条件下避免各个增益级过驱。宽带限幅放大器设计面临着诸多挑战，包括有效功率限制、热补偿、多个倍频程带宽范围内的频率均衡。此外，低噪声、低功耗和小封装尺寸的系统要求也增加了设计的复杂性。

本文将回顾2 GHz至18 GHz限幅放大器的设计考虑因素和技巧，要求45 ±1.5 dB的增益、–40°C至+85°C的工作温度范围、小于1.5 W dc功率、40 dB的限幅动态范围。限幅动态范围定义为RF输出功率固定的输入功率范围。ADI提供2 GHz至18 GHz宽带限幅放大器产品HMC7891，满足上述要求。该放大器包括内部稳压功能，采用密封连接器式封装。

2.0 构建和放大器考虑因素

微波限幅放大器设计首先是选择首选构建方法和内部增益级放大器。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，以便最大程度地减少由于封装寄生效应导致的不良性能影响，混合芯片和电线组件的可靠性非常出色，因为混合组件经过了彻底检测，能够很好地应对环境压力。此外，这些组件体积小，重量轻，易于密封。混合芯片和电线组件包括裸片形式的单芯片微波集成电路（MMIC）、薄膜技术、可线焊的无源组件。

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、饱和谐波成分、非线性性能。成功的限幅放大器设计应该最大程度地减少增益级和专用器件数，以减少热补偿和平坦度问题。此外，设计成功很大程度上还取决于器件最大输入功率额定值，以及所选增益级的压缩特性。为了完成具有40 dB限幅动态范围要求的设计，建议部署至少四个增益级，理想情况下，每个放大器级将在小于10 dB的压缩条件下工作。四个增益级还应在温度范围内充分实现45 dB的小信号增益要求。

由于具有高增益和低功耗性能，宽带MMIC增益模块放大器或低噪声放大器（LNA）适合用于限幅放大器设计。噪声系数要求通常需要使用低噪声放大器，而不是增益模块放大器。但是，由于RF输入功率额定值通常较低，LNA增益级可能带来设计挑战。理想的增益级器件具有较高的最大RF输入功率额定值，在高压缩级别下能够安全工作。

另一个重要考虑因素是每个增益级的饱和谐波成分。谐波成分要求取决于限幅放大器的应用。例如，对于旨在生成方波输出波形的应用，需要使用具有较低偶次谐波输出和较强奇次谐波输出的增益级放大器。为了避免破坏输出波形，最好在所有四个增益级位置使用相同的器件。最后，所选MMIC放大器必须无条件地保持稳定，理想情况下无偏置序列要求，以简化设计。

宽带高动态范围限幅放大器

HMC462是完成限幅放大器设计的理想MMIC。HMC462是一款自偏置LNA，仅需单个5 V电源，提供大于13 dB的增益、2 GHz至18 GHz的极佳增益平坦度、平均2.5 dB的噪声系数。该器件具有18 dBm的饱和输出功率电平，能够在频段范围内安全地运行大于14 dB的压缩。最大输入功率额定值几乎与器件的饱和输出功率相等，这使得它非常