董冰倩，张永鸿，陈驰 (电子科技大学电子科学与工程学院，成都，611731)

摘 要 针对 W 波段接收机易被大功率输入信号烧毁的缺陷，本文采用将输入信号转化为控制开关通断的偏置信号，达到限幅目的的方案研制了一款 W 波段开关限幅器。其中，偏置信号是输入信号经耦合器输出到检波器，由检波输出电压与参考电平比较而来的。其频率范围为 87-94.5GHz，隔离度大于 25dB，插入损耗小于 2.2dB。在频率为88GHz，输入功率10.7dBm 的条件下，恢复时间为 7.2ns，性能良好。

关键词 W 波段，开关限幅器，检波器

W-band Switch Limiter

1 引言 

    在无线电系统中，限幅器被广泛 应用于抑制干扰信号和防止接收机被 过高的信号强度破坏，如安装在低噪 声放大器和混频器之前来保护它们不 被来自发射机泄露或天线接收的大功 率信号烧毁，接收机框图如图 1 所示。

图 1 接收机系统框图

    微波限幅器理论早在上世纪 60 年 代开始发展，国内外微波器件的研制 方法差别不大，但是国内制作工艺起 步晚、发展较慢。由于后级低噪放芯 片耐受功率的原因，国内外还没有发 现有对 W 波段限幅器的研究；但是随 着对 W 波段低噪放耐受功率需求的逐 渐提高，集成电路行业的发展，目前 已经生产出耐受功率达到 30dBm 的低 噪放芯片。本课题所研究的 W 波段限幅器的输出功率小，尖峰泄露功率小、时间短，可以满足W波段低噪放芯片所能承受的最大输入功率。

    本文基于将输入信号转换为开关控制信号从而达到限幅目的的方案，研制了耦合度25dB 的耦合器，以及检波灵敏度大于2500mV/mW的检波器，实现了 W 波段低尖峰泄露功率低恢复时间的开关限幅器。其中，控制信号是由输入信号经过耦合器耦合端口输入到检波器，由检波输出电压与比较器的参考电平比较得来的。

2 电路设计

    开关限幅器是为了限制大功率信号的传输从而保护接收机系统免受高功率微波信号破坏的器件。当小信号传输时，限幅器处于直通状态，几乎无衰减地传输到后级器件；当大功率信号输入时，限幅器处于隔离状态[1]，由于开关的隔离度是确定的，输出功率被限制在后级的功率容量内，从而 保护了后面的低噪放不被大信号烧 毁。

    本文所设计的开关限幅器框图如 图 2 所示。输入信号从耦合器的耦合 端输出经过检波器，由检波器将其功 率量转换为电压幅度[2]，然后与比较器 所设置的参考电平进行对比，最终输 出的直流信号可通过控制开关的通断 来限制传输信号的功率大小，从而实 现限幅的功能。

图 2 开关限幅器原理框图

3 软件仿真 

3.1 耦合器仿真 

    定向耦合器可以使用微带线或波 导结构实现，在 W 波段，微带线的损 耗较大，所以本文采用波导结构，仿 真结构如图 3 所示。

    耦合器仿真结果如图 4 所示，可 以看到在 90-98GHz 内的平均耦合度 为 25dB，回波损耗大于 25dB，隔离度 大 于 40dB ， 直通 支 路的 插 损小 于 0.06dB。

3.2 检波器设计 

    检波器将功率量转换为电压幅度， 其结构框图如图 5 所示。将二极管在 HFSS 中进行精准建模，并进行输入阻抗匹配，得到检波器仿真模型如图6所示。仿真结果如图7 所示，得到检波器的反射系数在90GHz 左右小于-15dB。

4 电路测试

4.1 检波器测试

    首先需要确定检波器的平方律工作区，得到检波器的输入功率与输出电压的对应关系。测得W波段检波器平方律区和线性区的分界点在-28dBm左右。所以保持实际输入功率小于-28dBm，确保其工作在平方律区，开始电压灵敏度的测试，得到W波段检波电压灵敏度与输入频率的关系，如图 8 所示。

4.2 开关限幅器测试

    限幅电路的重要指标有插入损耗、隔离度、尖峰泄露功率和恢复时间等 等。考虑到限幅器的作用是为了防止大 功率信号进入烧毁接收机，有关限幅器 尖峰泄露的相关指标尤为重要。

    为了模拟大功率信号通过限幅器的 情况，测试方案如图 9 所示。在频率为 88GHz，输入功率为10.7dBm 的前提下， 功率泄露测试曲线如图 10 所示，包括 尖峰泄露和平坦泄露两部分。示波器所 显示的电平为所接外检波器的检波电 压，可得其最大检波电平为 17.2mV，可 以通过让外检波器输出该电平得到对 应的尖峰泄露功率。平坦泄露也是如 此。

    恢复时间定义为当外部输入信号 由大信号变为小信号时，限幅器从隔离 状态转变为直通状态所需的时间（即从 隔离大信号到不影响接收小信号这两 种状态的转换时间），恢复时间如图 10 所示，图 11 为将该段放大的曲线图，从 示波器读出恢复时间为 7.2ns。

    通过调整比较器的参考电压，使限 幅器默认工作在限幅的高隔离状态。隔 离度定义为高功率信号输入时限幅电路所产生的最大衰减[3]。标网测试图如图 12 所示，可以得到限幅器的隔离度在 87-94.5GHz 范围内大于25dB，隔离度性能良好。

    限幅器插入损耗的标网测试结果如图 13 所示，插入损耗在87-94.5GHz的频率范围内小于2.2dB。测试实物图如图 14 所示。

6 结论 

    针对接收机系统易被大功率信号摧毁的问题，本文研制了一款频率范围为 87-94.5GHz 的限幅器，其隔离度大于 25dB，插入损耗小于2.2dB。该W 波段限幅器性能良好。

参考文献 

[1] 艾竞. 小型化 X 波段平衡式限幅器设计[D]. 电子科技大学. 

[2] 赵晗彤,张德海.微波辐射计中检波器的应用设计[J].科学技术与工程,2009,9(16) :3806-3809. 

[3] 王佳佳. PIN 限幅器综合设计技术研究.

 [4] 喻梦霞, 李桂萍, 张小川. 微波固态电路, 成都: 电子科技大学出版社, 2016, 256-268