王云玉 （中国电子科技集团公司第十研究所 成都 610036）

摘 要 限幅器作为重要的微波控制器件，在各类微波接收系统中应用广泛，大功率微波信号可能导致接收机灵敏度 下降甚至失效。为了更好地保护接收系统，介绍了一种基于PIN二极管的大功率微波限幅器，采用先将大功率信号3 dB电 桥分为两路，待信号经过限幅电路后，再将两路小信号合路输出的设计方式，有效地提高了限幅器功率容量。测试结果表 明，在1.2 GHz~1.4 GHz频带内，插损小于0.8 dB，驻波小于1.3，可承受脉宽100 μs ，占空比1%，峰值功率大于1 500 W，限幅 输出电平小于 12 dBm，该限幅器插入损耗小、驻波性能优良，功率容量高，能够明显提高接收系统的可靠性，在雷达系统中 应用前景广阔。

关键词 限幅器；大功率；PIN二极管；3 dB电桥

Design of L-Band High Power Limiter

Abstract As an important microwave control device，limiters are widely used in various microwave receiving systems. High power microwave signals may lead to a decrease in receiver sensitivity or even failure. In order to better protect the receiving system， a high-power microwave limiter based on PIN diodes is introduced. The design method is to first divide the high-power signal 3 dB bridge into two channels，wait for the signal to pass through the limiting circuit，and then combine the two small signals for output， effectively improving the power capacity of the limiter. The test results show that in the frequency band of 1.2 GHz to 1.4 GHz，the insertion loss is less than 0.8 dB，the standing wave ratio is less than 1.3，the pulse width is 100 μs，the duty ratio is 1%，the peak power is more than 1 500 W，and the output level of limiting amplitude is less than 12 dBm. The limiter has small insertion loss，ex⁃ cellent standing wave performance and high power resistance. It can obviously improve the reliability of the receiving system and has a broad application prospect in the radar system.

Key Words limiters，high power，PIN diode，3 dB bridge

1 引言 

    微波限幅器在雷达系统中有着广泛的应用，常 用于微波信号接收系统前端，以免低噪声放大器及 其他接收元件被大功率微波信号毁伤［1］ ，典型采用 限幅器进行防护的射频接收机前端电路如图1所示。

图1 典型射频接收机前端电路

    PIN 二极管限幅器是利用高功率电导率调制 效应进行限幅，由于其具有插损小、恢复时间短、承 受功率容量大等特点从而被广泛应用于限幅器研 究。文献［2］讨论了大功率PIN二极管限幅器的设 计及测试方案，设计了一款最大承受峰值功率 100 W，小信号插损小于1 dB的限幅器，文献［3］设计了 一款可承受脉宽 100 μs ，占空比 0.1%，峰值功率 1 000 W的高功率限幅器，其小信号插损小于1 dB， 限幅电平优于17 dBm。

    为了获得更高的功率容量，本文基于PIN二极管，采用微波混合集成电路，采用 3 dB 电桥分路， 待信号经过限幅后再合路输出的方式，设计了一款 L 波段大功率微波限幅器，可承受脉宽 100 μs ，占 空比 1%，峰值功率超过 1 500 W，小信号插损小于 0.8 dB，驻波小于1.3，限幅输出电平小于12 dBm。

2 限幅器工作原理 

2.1 PIN二极管限幅原理

    PIN 二极管管芯剖面图和等效电路如图 2 所 示［4~5］ ，文献［6］阐述了电荷控制理论和微波电导率 调制效应，把PIN二极管等效为由电流控制的变阻 器，其I层电阻可根据式（1）算出。当PIN二极管正 向偏置时，载流子注入I层，当PIN二极管反向偏置 时，I层中的载流子被吸出，经过若干周期积累，I层 内的载流子浓度大幅度增加，此时PIN二极管微波 阻抗很低，大部分微波功率通过PIN管形成新的通 路，只有少量微波功率流向限幅器后端电路，这就 是PIN二极管的限幅原理。

式中：W 为 PIN 二极管 I 层厚度，μA 为双极迁移 率，τ 为载流子寿命，I0 为正向导通电流。

    单级限幅器的功率曲线如图 3所示，输入微波 功率较小时为低插损状态，当功率超过 P-1后很快 压缩，达到限幅饱和态后隔离度不再改变，隔离度 由式（2）确定。

式中：Z0 为端口特征阻抗，RD 为PIN二极管电阻。

2.2 大功率限幅器原理 

    根据电路连接形式不同，PIN二极管限幅器分 为串联和并联两种类型，并联形式的主要优点是散 热好以及插损小，在实际工程中应用的更多。传统 的并联限幅器采用单只 PIN 二极管与射频扼流圈 并联的方式，二极管的直流通路由扼流圈提供，其 电路如图 4 所示，但该电路形式插损较大，当设计 频率信号半周期小于所使用的 PIN 二极管的渡越 时间时，可以采用对管来替代扼流圈，可以有效地 降低插损，对管电路的原理如图5所示。

    由于单只 PIN 二极管的隔离度只有 15 dB~ 20 dB，在实际工程中，往往需要采用多组二极管级 联设计，其电路如图 6 所示。由于 PIN 二极管的 I 层厚度决定了二极管的功率容量和响应时间，因此 设计时前级应选用 I 层较厚的二极管，后级选用 I 层较薄的二极管，两级二极管之间相距四分之一波 长。

    当微波大功率信号进入限幅器时，后级二极管 由于 I层较薄率先导通，之后对微波信号形成低阻 抗短路，经过 λ /4 传输线到下一个二极管处为开 路，此时大功率主要作用在前级二极管，致其快速 正向导通从而达到限幅状态。

3 大功率限幅器电路设计 

3.1 传统无源检波式限幅器

    传统的无源检波式限幅器原理如图7所示［7~8］ ， 当大功率微波功率输入时，检波二极管可以提供 10 mA的电流，加速PIN二极管导通，第一级限幅管 可以迅速至低阻态，提高耐功率能力，第二级限幅管采用对管式，削减尖峰泄露功率［9］ 。

3.2 改进型无源检波式限幅器 

    为了获得更高的功率容量，本文设计了一种改进型检波式无源PIN限幅器，用3 dB电桥将大功率 信号一分为二，然后经过三级限幅二极管，最后将 两路限幅后的小信号合路输出，其电路原理图如图 8所示。

    由于 3 dB 电桥将大功率信号幅度等分，两路 信号的功率均只有原输入功率的一半，即限幅管所 承受的功率也只有原输入功率的一半，有效地提高 了功率容量。

    二极管并联时，吸收功率由式（3）确定［10］ ，当时，可近似化简为式（4）。

式中：Z0 为端口特征阻抗，RD 为PIN二极管电阻， PD 为PIN二极管吸收功率，PI 为输入功率。

    N个二极管并联时，其最大功率容量可根据式 （5）算出。

    本文采用三级PIN二极管限幅方案，根据功率 容量的需求和小信号插损的要求，分别采用 Sky⁃ works 公司的 CLA4607 型、CLA4604 型和 CLA4601 型限幅二级管，第一级使用 CLA4607 双管，第二级 使用 CLA4604 双管，末级使用 CLA4601 对管，各级 限幅二极管主要参数见表1。

    第一级限幅电路采用 4 607 双管并联，设计保 证检波电流大于40 mA，此时隔离度由式（6）确定。

式中：Z0 为端口特征阻抗，RD 为PIN二极管电阻， N 为二极管数量。

    经计算第一级限幅二极管的隔离度为 34 dB， 从而第二级限幅二极管承受的功率 £ 25 dBm，满 足其耐功率要求。

    输入端的 3 dB 电桥选用 HC2000W03 型 SMD 大功率电桥，其主要参数见表 2，其耐受连续波功 率为400 W，而本文设计的限幅器需承受脉冲功率 为 1 500 W，占空比 1%，即 15 W 连续波，由此可见 所选用的 3 dB 分路电桥满足使用要求，并且功率 容量冗余度充足。

    限幅电路后端的3 dB合路电桥采用DQZL10J3 型同轴耦合电桥，其主要参数见表 3，该电桥插损 小，能够满足限幅器的插损指标要求。

    运用电磁仿真软件对限幅器电路进行仿真设 计［11~12］ ，仿真结果如图9、图10和图11所示，可以看 出，在 1.2 GHz～1.4 GHz 频带内，插损小于 0.6 dB， 驻波小于 1.2，检波电流大于 60 mA，仿真结果满足 设计要求。

4 限幅器测试结果及分析 

    根据上述电路设计，加工完成的L波段大功率 限幅器实物如图 12 所示，实物尺寸为 85 mm×65 mm×20 mm。

    使用失网络分析仪对限幅器进行了调测，测试 结果如图 13、图 14 和图 15 所示。结果表明，在设 计的1.2 GHz～1.4 GHz频段内，插损值小于0.8 dB， 驻波比优于1.3，限幅输出电平优于12 dBm，常温下 大功率测试 5 min，二极管管壳温升小于 20°C。相 比于文献［3］中的限幅器，插损、驻波、限幅输出电 平和耐受功率都有明显提升，本文设计的限幅器和 文献［3］中的限幅器性能对比见表4。

5 结语 

    本文设计了一种改进型检波式无源 PIN 限幅 器，采用 3 dB电桥分路，限幅后再小信号合路输出 的方式，有效提高了限幅器的耐功率容量。测试结 果表明，在 1.2 GHz～1.4 GHz 频带内，插损小于 0.8 dB，驻波优于 1.3，可承受脉宽 100 μs，占空比 1%，峰值功率大于 1 500 W，限幅输出电平优于 12 dBm，该设计已经投入生产，在雷达系统中具有较 高的应用价值。

参 考 文 献 

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