介紹
無(wú)線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[1]，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,，后者則由兩個(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(guò)載的原因?yàn)榘l(fā)出刺激脈沖后探針線圈上儲(chǔ)存能量所帶來(lái)的振鈴信號(hào)[2],，縮小低噪聲放大器(LNA, Low Noise Amplifier)器件尺寸的作法雖然可以改善射頻性能，但卻會(huì)犧牲過(guò)載的承受能力,，例如采用0.25μm pHEMT技術(shù)400μm和800μm低噪聲放大器的最高輸入功率PiMAX分別為7dBm[3]和10dBm[4],，過(guò)載會(huì)影響到硬件和承載的信息，太大的過(guò)度驅(qū)動(dòng)會(huì)因跨接導(dǎo)線/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[5]也會(huì)因金屬變化而縮短器件壽命[6],，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[7]或第三階輸出截點(diǎn)[8]的劣化，NMR核磁共振接收器則會(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)閥值的較大信號(hào)來(lái)避免過(guò)載，最簡(jiǎn)單的限幅器電路包含一個(gè)PIN二級(jí)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[9-10],，但這個(gè)作法的閥值比許多低噪聲放大器的過(guò)載限制更高,，在基本PIN限幅二級(jí)管上并聯(lián)肖特基二級(jí)管,，也就是肖特基強(qiáng)化PIN限幅器可以降低限制閥值約10dB[11]，主要原因是肖特基二級(jí)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)自于二級(jí)管寄生電容對(duì)傳輸線造成的負(fù)載,，在過(guò)去,，微波限幅器使用裸二級(jí)管芯片制造，但現(xiàn)代大量生產(chǎn)的限幅器二級(jí)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限幅器中的額外二級(jí)管也會(huì)帶來(lái)比僅PIN二級(jí)管限幅器更大的損耗。
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,。
去除限幅器二級(jí)管電容問(wèn)題的急迫性可以由許多被提出的解決方案中看出,，二級(jí)管堆棧可以降低電容,，但卻帶來(lái)了較高的導(dǎo)通閥值[12],，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，但卻大幅度增加了二級(jí)管的轉(zhuǎn)換熱阻[13],，另一方面,，肖特基二級(jí)管可以通過(guò)高阻抗1/4波長(zhǎng)傳輸線[14]或指向性耦合器[15-16]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)連接二級(jí)管到較低阻抗(12.5Ω)的節(jié)點(diǎn)降低,，但卻需要降壓和升壓變壓器[17]。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)合二級(jí)管寄生電容到低通梯型濾波器的創(chuàng)新配置,，盡管使用二級(jí)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[18-19]，但從未出現(xiàn)在肖特基強(qiáng)化PIN限幅器上,，本篇文章將介紹肖特基強(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,，我們使用了原有二級(jí)管產(chǎn)品線的低成本SOT-323封裝器件,，PIN二級(jí)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[20]，請(qǐng)參考圖2,。這個(gè)肖特基二級(jí)管擁有1mA時(shí)250mV的載子幅度,，以及約0.8pF的零偏置電容[21]，二級(jí)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,，中間具有間隙的30mil厚FR4 印刷電路板實(shí)現(xiàn)，如圖3,。PIN二級(jí)管采陽(yáng)極引腳跨越間隙的方式安裝,，肖特基二級(jí)管則如同常見(jiàn)限幅器一般連接到傳輸線的輸出端，雙陽(yáng)極PIN二級(jí)管,、肖特基二級(jí)管以及帶間隙線的組合帶來(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級(jí)管器件,，基于兩個(gè)二級(jí)管在傳統(tǒng)限幅器配置中采并聯(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：PIN二級(jí)管內(nèi)部圖,，其中芯片上的陽(yáng)極接點(diǎn)通過(guò)跨接導(dǎo)線連接到兩個(gè)引腳。
圖3：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)配置在此擁有相近的插入損耗，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,，請(qǐng)參考圖4。在常見(jiàn)的2.1GHz 3G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,。
圖4：傳統(tǒng)和新限幅器配置的小信號(hào)插入損耗相對(duì)頻率關(guān)系圖。
實(shí)際的結(jié)果會(huì)比這個(gè)測(cè)量值表現(xiàn)更佳,，原因是測(cè)試安排可能會(huì)擴(kuò)大損耗,，在實(shí)際應(yīng)用上，電路板的走線要短許多,，并且限幅器的輸出也會(huì)直接連接到低噪聲放大器而不需經(jīng)過(guò)射頻連接器,，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化去除測(cè)試安排的損耗后，限幅器的1dB帶寬可以大幅度提高到3GHz。
圖5：新限幅器配置進(jìn)行測(cè)試安排影響損耗補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的小信號(hào)插入損耗,。
除了降低插入損耗外,，新的配置也意外地改善了回波損耗(RL, Return Loss)，特別是在1.2GHz到3GHz頻帶范圍變化超過(guò)4dB時(shí),，非常明顯地,，新配置的梯型濾波器等效電路會(huì)比原始的分流電容擁有更好的匹配，在回波損耗RL ≤ -10dB點(diǎn),，新配置可以大幅度提高最高頻率限制達(dá)近3倍,，由傳統(tǒng)配置的1.1GHz提升到2.9GHz。
圖6：傳統(tǒng)和新配置限幅器回波損耗相對(duì)于頻率關(guān)系圖,。
在900MHz時(shí),，兩個(gè)配置擁有相同的輸入限制閥值,，大約為3dBm,，如圖7。一個(gè)常被忽略的優(yōu)勢(shì)是,，在30dBm輸入功率時(shí)新配置的輸出泄漏功率可以低約4dB,，不過(guò)我們無(wú)法解釋這個(gè)改善的背后機(jī)制。
圖7：傳統(tǒng)和新配置限幅器于900MHz時(shí)輸出相對(duì)于輸入功率的關(guān)系,。
為了確保梯型電路不會(huì)影響限幅器瞬態(tài)響應(yīng)的速度,，兩個(gè)配置都以10ms的30dBm 900MHz載波爆發(fā)波進(jìn)行評(píng)估，突波泄漏時(shí)間在兩個(gè)配置大約相等,，約為2.4μs,，如圖8。在爆發(fā)波的終點(diǎn)也觀察到<30ns的相近恢復(fù)時(shí)間,，不過(guò)新配置的突波和平緩泄漏振幅相對(duì)較低,。
圖8：兩個(gè)限幅器配置的瞬態(tài)響應(yīng)比較。
結(jié)論
相較于原有配置,，肖特基PIN限幅器的新電路配置可以同時(shí)改善插入損耗,、匹配、帶寬以及泄漏功率,，由于采用了二級(jí)管封裝寄生電容來(lái)形成低通梯型濾波器,，因此配置的改變并沒(méi)有增加額外的器件，也沒(méi)有加大電路板的占用面積,，相同的作法已經(jīng)成功應(yīng)用于降低僅PIN二級(jí)管限幅器的損耗上,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以在肖特基強(qiáng)化PIN限幅器上取得相同的好處，我們預(yù)期新配置可以改善使用這類限幅器無(wú)線通信和NMR/MRI接收器的靈敏度,，并且預(yù)測(cè)這個(gè)配置可以帶來(lái)更高頻率的運(yùn)作,。
附錄：掃描式功率測(cè)量
在掃描式功率測(cè)量的上限范圍，飽和限幅器二級(jí)管會(huì)在傳輸線上趨近于短路，圖9中的測(cè)試安排使用隔離器和衰減器來(lái)消除造成圖7中下沉曲線的測(cè)量影響,，在受測(cè)器件的輸出使用10dB衰減器取代隔離器是較好的選擇,，原因是除了不會(huì)對(duì)受測(cè)器件的阻抗變化造成緩存外，還可避免功率傳感器燒毀,。
圖9：用來(lái)測(cè)量限幅器輸入輸出功率相對(duì)關(guān)系的測(cè)試安排,。
感謝
本文作者在此感謝提出使用二級(jí)管寄生特性進(jìn)行降低損耗作法的導(dǎo)師R. W. Waugh，協(xié)助審稿的S. A. Asrul以及同意本文發(fā)表的安華高科技管理階層,。