降低肖特基PIN限幅器損耗設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信接收器前端可能會(huì)因同步或異步信號(hào)傳輸形成過(guò)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(xiàn)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(guò)載的原因?yàn)榘l(fā)出刺激脈沖后探針線(xiàn)圈上存儲(chǔ)能量所帶來(lái)的振鈴信號(hào)，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(guò)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(guò)載會(huì)影響硬件和承載的信息，太大的過(guò)度驅(qū)動(dòng)會(huì)因跨接導(dǎo)線(xiàn)/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(guò)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(zhǎng)時(shí)間暴露在微小過(guò)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(guò)允許低于特定水平的射頻信號(hào)通過(guò)，并大幅度衰減超過(guò)閾值的較大信號(hào)來(lái)避免過(guò)載。最簡(jiǎn)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(guò)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(hào)插入損耗會(huì)對(duì)整體噪聲系數(shù)造成相同dB單位的增加，插入損耗主要來(lái)自于二極管寄生電容對(duì)傳輸線(xiàn)造成的負(fù)載。在過(guò)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(lái)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(jiàn)電路安排和它的小信號(hào)等效電路

去除限幅器二極管電容問(wèn)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(lái)了較高的導(dǎo)通閾值，盡管使用平頂結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)高阻抗1/4波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)或指向性耦合器來(lái)由射頻路徑隔離，不過(guò)這 些無(wú)源器件會(huì)增加成本和體積。電容性負(fù)載可以通過(guò)連接二極管到較低阻抗(12.5Ω)的節(jié)點(diǎn)來(lái)降低，卻需要降壓和升壓變壓器。為了降低這類(lèi)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(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(xiàn)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(yáng)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(xiàn)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(xiàn)，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(yáng)極引腳跨越間隙的方式安裝，肖特基二極管則如同常見(jiàn)限幅器一般連接到傳輸線(xiàn)的輸出端，雙陽(yáng)極PIN二極管、肖特基二極管以及帶間隙線(xiàn)的組合帶 來(lái)一個(gè)近似于低通梯型濾波器的小信號(hào)等效電路。為了進(jìn)行性能比較，我們?cè)谙嗤娐钒迳习才乓粋€(gè)組合到連續(xù)傳輸線(xiàn)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(hào)等效電路可由一個(gè)1.8pF的電容代表。

圖2：上方為包含評(píng)估和參考限幅器的印刷電路板照片，左下為評(píng)估限幅器的細(xì)部電路圖，右下則為評(píng)估限幅器的簡(jiǎn)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(guò)當(dāng)頻率超 過(guò)300MHz時(shí)，損耗差異就會(huì)大幅度擴(kuò)增。在常見(jiàn)的2.1GHz3G頻段中，可以達(dá)到令人滿(mǎn)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。