降低肖特基PIN限幅器損耗設(shè)計(jì)

無線通信接收器前端可能會(huì)因同步或異步信號傳輸形成過載，在時(shí)域雙工系統(tǒng)中，交換器或循環(huán)器連接端口間的非完美隔離會(huì)造成前者、后者是兩個(gè)未相關(guān)系統(tǒng)天線間造成的非故意耦合產(chǎn)生在核磁共振(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)接收器中;

另一個(gè)造成過載的原因?yàn)榘l(fā)出刺激脈沖后探針線圈上存儲(chǔ)能量所帶來的振鈴信號，縮小低噪聲放大器(LNA,Low Noise Amplifier)器件尺寸的做法雖然可以改善射頻性能，但會(huì)犧牲過載的承受能力，例如采用0.25μmpHEMT技術(shù)，400μm和800μm低噪聲放大器的最高輸入功率PiMAX分別為7dBm和10dBm，過載會(huì)影響硬件和承載的信息，太大的過度驅(qū)動(dòng)會(huì)因跨接導(dǎo)線/金屬化保險(xiǎn)絲失效或晶體管結(jié)熔化造成器件故障，因過度驅(qū)動(dòng)所造成的柵極電流快速增加也會(huì)因金屬變化而縮短器件壽命。

除此之外，長時(shí)間暴露在微小過載情況下也會(huì)造成器件輸出功率或第三階輸出截點(diǎn)的劣化，NMR接收器則會(huì)因前端接收器逐漸由飽和恢復(fù)的停滯時(shí)間(dead-time)而漏失關(guān)鍵信息。

限幅器通過允許低于特定水平的射頻信號通過，并大幅度衰減超過閾值的較大信號來避免過載。最簡單的限幅器電路包含一個(gè)PIN二極管以及作為直流返回路徑的并聯(lián)電感，也就是所謂的自偏壓限幅器，但這個(gè)做法的閾值比許多低噪聲放大器的過載限制更高。在基本PIN限幅二極管上并聯(lián)肖特基二極管，也就是肖特基強(qiáng)化PIN限幅器可以降低 限制閾值約10dB，主要原因是肖特基二極管較低的導(dǎo)通電壓。

由于限幅器必須安排在接收器增益電路的前端才有效，因此它的小信號插入損耗會(huì)對整體噪聲系數(shù)造成相同dB單位的增加，插入損耗主要來自于二極管寄生電容對傳輸線造成的負(fù)載。在過去，微波限幅器使用裸二極管芯片制造， 但現(xiàn)代大量生產(chǎn)的限幅器二極管則使用會(huì)大幅度增加電容的塑料封裝，另外，肖特基強(qiáng)化PIN限幅器中的額外二極管也會(huì)帶來比PIN二極管限幅器更大的損耗 (圖1)。

圖1：肖特基強(qiáng)化PIN限幅器的常見電路安排和它的小信號等效電路

去除限幅器二極管電容問題的急迫性可以從許多被提出的解決方案中看出，二極管堆棧可以降低電容，卻帶來了較高的導(dǎo)通閾值，盡管使用平頂結(jié)構(gòu)來移除部分PIN 結(jié)區(qū)可以降低寄生電容，卻大幅度增加了二極管的轉(zhuǎn)換熱阻；另一方面，肖特基二極管可以通過高阻抗1/4波長傳輸線或指向性耦合器來由射頻路徑隔離，不過這 些無源器件會(huì)增加成本和體積。電容性負(fù)載可以通過連接二極管到較低阻抗(12.5Ω)的節(jié)點(diǎn)來降低，卻需要降壓和升壓變壓器。為了降低這類限幅器的高頻損耗而不需要付出前述方案的代價(jià)，我們研究了結(jié)合二極管寄生電容到低通梯型濾波器的創(chuàng)新配置。盡管使用二極管的寄生特性來降低損耗已經(jīng)在自偏壓PIN限幅器中提到，但從未出現(xiàn)在肖特基強(qiáng)化PIN限幅器上，本篇文章介紹了肖特基強(qiáng)化PIN限幅器的低損耗配置，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確認(rèn)它的更好性能。

材料和方法

為了快速制造新的配置，我們使用了原有二極管產(chǎn)品線的低成本SOT-323封裝器件，PIN二極管擁有1.5μm的I層厚度、約1pF的零偏置電容以及適合 新配置的雙陽極封裝形式。這個(gè)肖特基二極管擁有1mA時(shí)250mV的載子幅度，以及約0.8pF的零偏置電容，二極管跨接導(dǎo)線和引腳的寄生電感分別為 0.7nH和0.4nH，限幅器使用包含50Ω共平面波導(dǎo)接地(CPWG)傳輸線，中間采用間隙的30mil厚FR4印刷電路板實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。PIN 二極管采用陽極引腳跨越間隙的方式安裝，肖特基二極管則如同常見限幅器一般連接到傳輸線的輸出端，雙陽極PIN二極管、肖特基二極管以及帶間隙線的組合帶 來一個(gè)近似于低通梯型濾波器的小信號等效電路。為了進(jìn)行性能比較，我們在相同電路板上安排一個(gè)組合到連續(xù)傳輸線的傳統(tǒng)PIN肖特基限幅器，兩個(gè)限幅器采用完全相同的二極管器件，基于兩個(gè)二極管在傳統(tǒng)限幅器配置中采用并聯(lián)形式，因此它的小信號等效電路可由一個(gè)1.8pF的電容代表。

圖2：上方為包含評估和參考限幅器的印刷電路板照片，左下為評估限幅器的細(xì)部電路圖，右下則為評估限幅器的簡化等效電路

結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了新的配置可以改善插入損耗和帶寬，由于寄生電容在頻率低于300MHz時(shí)幾乎不會(huì)造成影響，因此兩個(gè)配置在此有相近的插入損耗，不過當(dāng)頻率超 過300MHz時(shí)，損耗差異就會(huì)大幅度擴(kuò)增。在常見的2.1GHz3G頻段中，可以達(dá)到令人滿意的0.8dB損耗差異，如此的改善也可以量化為帶寬的提 升，以1dB損耗點(diǎn)比較，新配置可以將最高頻率限制由原本的1.3GHz提高到2.4GHz。