基于宽带PIN限幅防护模块的射频传输链路仿真设计

基于宽带PIN限幅防护模块的射频传输链路仿真设计

王正波 

贵州航天电子科技有限公司，贵州贵阳550099 

摘要：简要介绍一种用于“前门”防护的基于宽带PIN限幅防护模块的射频传输链路设计与仿真方法。其防护核心器件是PIN限幅二极管，利用PIN二极管截止与导通两种状态下的损耗及抑制特性，既保证对强电磁脉冲带外能量的抑制，又保证带内能量的有效限幅，从而实现对雷达射频传输链路的宽带防护设计。

关键词：射频传输链路  PIN限幅防护模块  截止状态  导通状态  插入损耗  隔离度

0 引言

强电磁脉冲给雷达射频传输链路带来巨大威胁，强电磁脉冲通过孔缝或天线耦合进入系统，使系统内的电子器件或线路发生阻塞、扰乱和毁伤[1]。PIN限幅器具有插入损耗小、反应迅速、恢复时间短、耐受功率容量大等特点，用于雷达射频传输链路防护设计，使后面灵敏接收机电路不被大功率信号和强电磁脉冲损坏，是保证接收机能正常工作的重要部件。实际应用中射频传输链路中采用多级PIN限幅器设计，既能承受大的功率容量，也具有较小的尖峰泄漏功率，能很好的起到保护前端的作用。

1  宽带PIN限幅防护模块总体设计

窄谱强电磁脉冲通过射频前端将对雷达接收产生很大威胁。因此，在进行射频传输链路的防护时，将根据雷达工作通带采用限幅与滤波相结合的宽带防护设计思路，既保证对强电磁脉冲带外能量的滤波抑制，又保证带内能量的有效限幅，实现对射频传输链路的宽带防护。总体设计流程如图1所示。

PIN二极管是PIN限幅器的核心器件，PIN二极管的性能指标（响应时间、耐受峰值功率、插入损耗等参数）变化的原因主要是由PIN二极管的I层厚度决定的，I层越厚，耐受峰值功率越高但响应时间却越长，而I层越薄，则相反。PIN二极管可分为p+n-结、I层和n-n+结三部分，其等效电路如图2所示。

图1  宽带PIN限幅滤波模块总体设计流程                  图2  PIN二极管等效电路

I层可以等效为一个电阻RI，其值与I层宽度的平方成正比，与迁移率、载流子寿命及偏置电流成反比。PIN二极管正向导通和反向截止时的等效电路模型一样，各参数不仅与PIN二极管的结构有关，而且与外加电压大小、电流密度大小等有关。

2  多级PIN限幅器的电路设计

PIN限幅器是用来保护接收机前端系统不被强电磁脉冲烧毁，同时正常信号时电路须正常运行。因此PIN限幅器应满足以下要求：

a)在信号幅值低于门限信号时，具有低的插入损耗；

b)在信号幅值超过门限信号时，提供较高的损耗；

c)高功率信号较短时间内能起到保护作用，即响应时间非常短。

图3是一种典型的用于接收机防护的无源限幅器电路，典型的电路主要是由一个PIN二极管和一个RF扼流圈电感并联组成。

图3  单级无源限幅器电路原理图       图4  单级限幅器的输入输出曲线           图5  级联PIN限幅电路原理图

PIN限幅器是入射微波功率控制的可变电阻器，没有HPM信号输入时，PIN限幅器处于高阻态；正常工作信号以0.5dB插入损耗通过限幅器。入射大功率微波二极管迅速从高阻态变成低阻态，脉冲干扰信号达到高衰减，从而起到防护的作用。单级限幅器的输入输出曲线如图4所示。

在PIN二极管等效模型基础上设计由两个或多个PIN管组成的级联限幅电路原理图如图5所示。

其设计原理为：选用的后级二极管本征层厚度比前级二极管薄，当强电磁脉冲进入限幅器时，后级二极管对高功率响应较为迅速，因而先行导通。导通后对高频能量形成低阻抗短路，经四分之一波长传输线到第一只二极管处等效为高频开路，因此能量主要集中在第一只管子上，使其得以快速导通进入限幅状态。这样的设计可以在满足响应时间条件下做到提高限幅器的功率容量。

同理，可设计多级限幅器，而这样的合理优化设计可以在满足响应时间条件下做到提高限幅器的功率容量和隔离度。

3  电路模型仿真

以Skyworks的SC-79封装的SMP1320-079LF型PIN二极管为例进行分析，对比已有ADS模型仿真结果与基于物理模型的仿真，分析截止状态（即非威胁的正常工作状态）与导通状态（即强脉冲作用下威胁工作状态）两种情况下的损耗及抑制特性如图6、图7、图8所示。

图6 基于二极管ADS模型的截止状态插损仿真

图7  基于二极管等效物理模型的截止状态插损仿真

图8  基于二极管等效物理模型的导通状态隔离度仿真

从图中曲线对比可看出，截止状态下通带插损的模型一致性较好。

4  结语

本文借助ADS软件，设计了一款基于宽带PIN限幅防护模块的射频传输链路并进行了仿真。在正常工作信号时传输链路插入损耗小于0.5dB，保证了正常信号的传输；在强脉冲作用下威胁工作状态同时，导通状态隔离度达到20dB。仿真结果满足工程的技术要求，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]胡凯,李天明,汪海洋等.多级PIN限幅器高功率微波效应研究[J].强激光与粒子束,2014,26(06):71-76.

[2]赵保经，微波集成电路，中国集成电路大全