高输入动态范围限幅放大器 

摘要

高输入动态范围限幅放大器是射频通信系统中的关键器件,在电子对抗、卫星通信等场景中有广泛应用。在这些应用中,系统要求输入信号功率在较大的范围内变化时可以稳定的工作。本文通过对限幅放大器的应用背景和限幅放大器设计的关键因素进行说明，并结合BR9608FR产品设计的链路预算和器件选型,阐述了限幅放大器的主要设计思路,可为同类型芯片设计提供参考。

技术背景和产品概述 

技术背景

在电子对抗、电子侦察、雷达系统、卫星通信、无人机数据传输、无人驾驶汽车通信等应用中，系统设备既要保证在高强度干扰信号下正常工作，又需要实现有用信号的稳定传输，这要求接收机系统具有处理较大动态范围信号的能力。

限幅放大器是接收机系统实现较大动态范围信号处理功能的关键器件，其工作时能对输入信号放大，并对输出信号进行限幅。限幅放大器一般为多级高增益放大器，需要设计一定的级间匹配电路，才能保证限幅放大器的正常工作。同时，随着系统的小型化和集成化需求的增加，限幅放大器的设计复杂度和困难程度随之增加。

BR9608FR产品概述

博瑞集信研制的BR9608FR是一款具有高输入动态范围的限幅放大器产品,其工作频率范围为80MHz~1150MHz,增益的典型值为38dB,限幅输出信号的典型值为11.3dBm。BR9608FR具有良好的输入和输出回波特性，能够承受较大的输入功率,可有效的实现对输入信号的放大和对后级电路的保护。

限幅放大器设计要点 

限幅放大器的主要功能是对输入小信号放大，并对输出信号限幅，须将增益和限幅特性作为主要考虑因素。

增益特性

内部放大器的选型需要考虑工作频率范围、增益大小、最大输入功率和放大器的输出功率等参数。为了实现小型化集成，在满足总增益要求的前提下，放大器的级数要尽可能的少。在考虑到系统链路增益指标要求，以及各级之间的匹配电路的插入损耗下，内部放大器的小信号增益之和应大于目标增益要求，且留有一定裕量。由于限幅放大器一般应用于接收链路前端，根据放大器级联噪声特性，为了降低限幅放大器的噪声系数，第一级放大器应使用噪声系数低的放大器。

限幅特性

限幅器的作用在于对后级器件的保护，防止高功率信号对后级器件产生损伤。当输入为小信号时，限幅器不会对输入信号产生影响；当输入为大信号时，限幅器对输入信号的幅度进行限制。

二极管限幅器原理框图

限幅器一般采用二极管来实现，整流型二极管实现的限幅器具有削峰特性，会出现削峰失真，可能导致信号传输失败；变容二极管可在外部电压控制下，使得二极管的电容发生变化，提高反射系数，实现限幅功能，其需要外部电压控制，应用较为复杂；PIN二极管利用电导调制效应，通过控制PIN二极管的I区的厚度，调节限幅电路的功率容量和响应速度。

RF预算分析 

根据原理框图，限幅放大器采用两级低噪声放大器级联的方式实现高增益，利用限幅器实现输入保护和输出限幅。

设计注意事项

①限幅器的限幅输出功率应小于放大器的最大输入功率；

②放大器的最大输出功率小于限幅器的最大输入功率；

③应保证限幅放大器内部各器件的输入和输出匹配良好。

放大器选型

根据限幅放大器BR9608FR增益要求，第一级放大器采用我司自研低噪声放大器，其工作频段内增益约为25dB。第二级放大器采用我司自研增益放大器，其工作频段内的增益约为20dB。两款放大器在工作频段内的增益的高低温特性均良好。

限幅器选型

限幅器的主要作用是对输入信号的限制，以及保证限幅放大器的输出信号能够满足后级链路的信号处理需求。根据BR9608FR设计功能和性能要求，限幅器采用我司自研限幅器，其最大输入功率可达+30dBm，限幅输出的典型值为+12dBm，其限幅输出能力达到行业内先进水平。

匹配电路设计

限幅放大器的匹配电路旨在对限幅器和放大器的输入和输出特性进行调节，使得限幅放大器射频链路中的各器件工作在匹配状态。同时，匹配电路的设计需要考虑各元器件的耐压和过流能力，防止器件烧毁，导致整个限幅放大器无法正常工作。

BR9608FR典型应用方案

通信链路中的典型应用框图

空间中的信号经天线进入到通信接收链路中，当通信接收链路前端放置限幅放大器BR9608FR时，其对接收到的信号进行相应的处理。限幅放大器的后级可以采用带通滤波器（BPF）对限幅放大器的输出信号进行选择，得到有用信号。有用信号通过混频器结合本振信号（LO）实现对信号的解调，得到中频信号（IF）。进一步可以通过基带电路对中频信号进行处理，获得传输的信息。本应用方案仅为限幅放大器的一种典型应用，其它应用场景可结合需求进行限幅放大器的选型或者设计。

BR9608FR 限幅放大器简介

产品特性

工作频率：80MHz～1150MHz
增益：38dB
增益平坦度：± 1dB
限幅输出功率：≤+11.3dBm
输出三阶交调点：+30.6dBm
噪声系数：5.0dB
反向隔离度：48dB
工作电压：+5V
工作电流：162mA
封装形式：QFN64（塑封）

射频特性

典型工作特性

总结

限幅放大器作为通信系统中的关键器件，能够适应当前复杂的通信环境，保证系统在高输入动态情况下正常工作。本文结合博瑞集信的限幅放大器产品，讨论了限幅放大器设计的关键因素，并根据链路预算对内部器件进行了选型分析。我司研制的限幅放大器BR9608FR具有高增益、高输入动态范围和限幅输出功能，可广泛的应用于各种通信系统中。