微波功率放大器的ALC環(huán)路設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)ALC環(huán)路的設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、成本較高。文中提出了一種電路簡潔且成本較低的ALC環(huán)路，該ALC環(huán)路由檢波部分電路、電壓控制衰減器部分電路及差分控制電路組成，詳細(xì)介紹了各部分電路的原理和電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的ALC環(huán)路在S波段超過10%的帶寬下實(shí)現(xiàn)了0.15 dB的輸出功率平坦度，且在輸入信號(hào)5±5dBm的變化下輸出功率僅變化了0.2 dB。

ALC(自動(dòng)電平控制)環(huán)路控制屬于反饋控制電路的一種，其作用是當(dāng)輸入信號(hào)變化較大時(shí)，功率放大器的輸出功率基本保持不變。具體而言，即當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，ALC電路不起作用;而當(dāng)輸入信號(hào)變大到一定程度后，ALC電路開始作用，并根據(jù)輸入信號(hào)的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整功率放大器的增益，使輸出功率保持不變。

在功率放大器中，ALC的主要作用是限制功放輸出功率以使其工作在線性狀態(tài)，同時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)功率超過額定輸入功率時(shí)，防止功放過激勵(lì)而損壞。設(shè)計(jì)的ALC控制電路簡潔易實(shí)現(xiàn)，且具有>20 dB的動(dòng)態(tài)范圍，并在S波段超過10%的相對(duì)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了ALC環(huán)路控制。

1 ALC環(huán)路控制的基本原理

ALC環(huán)路控制電路主要包含可變增益器件、功率放大器、檢波電路、參考預(yù)置電路、功放檢波電壓進(jìn)行處理電路和濾波電路，通過以上電路構(gòu)成了完整的負(fù)反饋環(huán)路。

輸入信號(hào)首先進(jìn)入電壓控制衰減器，然后進(jìn)入功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，由于ALC環(huán)路起作用后使功率放大器工作在線性狀態(tài)，即功放的最大功率需大于ALC起作用后的輸出功率，通常需>0.5 dB，否則會(huì)因工作頻帶的平坦度問題使某些頻點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)而無法使ALC環(huán)路起控。功放輸出端的耦合電路耦合出約35 dB的信號(hào)，檢波電路根據(jù)耦合出的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)檢波電壓，檢波電壓與參考預(yù)置電路電壓進(jìn)行差分放大輸出初步的反饋控制電壓，經(jīng)濾波電路后反饋控制功放輸入端的電壓控制衰減器，從而形成完整的負(fù)反饋環(huán)路即ALC環(huán)路，最終使輸出功率保持恒定。如功放由于溫度或其他原因增益升高、輸出功率變大時(shí)，耦合電路耦合出的信號(hào)增大，使檢波電壓增大，檢波電壓與參考預(yù)置電壓經(jīng)運(yùn)放差分放大后產(chǎn)生控制電壓控制衰減器的電壓，該電壓使衰減器衰減量增加，從而使整個(gè)功放增益降低，功放輸出減小，并形成動(dòng)態(tài)平衡，使放大器輸出功率趨于恒定;反之，如功放由于溫度或其他原因增益降低、輸出功率變小時(shí)，耦合電路耦合出的信號(hào)減小，使得檢波電壓減小，檢波電壓與參考預(yù)置電壓經(jīng)過運(yùn)放差分放大后產(chǎn)生控制電壓控制衰減器的電壓，該電壓使衰減器衰減量減小，也使整個(gè)功放增益升高，從而使功放輸出增大，最終形成動(dòng)態(tài)平衡，使放大器輸出趨于恒定。

ALC環(huán)路中壓控衰減器通常放在功放的輸入端，這是為了增大環(huán)路的動(dòng)態(tài)范圍，且因通常電壓控制衰減器無法承受過大的輸入功率。而耦合電路一般放在功放的輸出端，是為了使功放的輸出功率更加穩(wěn)定。

ALC環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮整個(gè)功率放大鏈路的增益及功率器件的選擇，其是由于ALC環(huán)路起作用后功率鏈路中的器件工作在線性狀態(tài)，此時(shí)功率器件工作在安全范圍內(nèi)，但由于ALC環(huán)路起作用有一個(gè)過程且經(jīng)過負(fù)反饋的反復(fù)調(diào)整才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)前有一個(gè)波動(dòng)過程，在此過程中，功率放大鏈路的增益變化較大，因而有可能對(duì)功率器件尤其是末級(jí)功率管造成損壞，故在設(shè)計(jì)初期需注意功率器件的

輸入功率承受能力。由此避免ALC穩(wěn)定前的增益波動(dòng)或輸入功率變化對(duì)功率器件的沖擊。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 壓控衰減器電路設(shè)計(jì)

電壓控制衰減器選用Hittite公司的模擬電壓控制衰減器HMC346作為可變增益器件，其控制電壓為0～-3 V，在DC～8 CHz的頻率范圍內(nèi)具有>30 dB的衰減量，且具有較小的相位變化和較低的插損;而射頻信號(hào)輸入輸出口匹配50 Ω系統(tǒng)，并在30 dB衰減范圍內(nèi)具有良好的駐波。

該衰減器包含兩部分電路：第一部分電路功能為衰減RF信號(hào)。第二部分電路為參考衰減電路，其與外部電路共同工作使器件在30 dB衰減范圍內(nèi)保持射頻輸入輸出端口良好的駐波，并使其阻抗與50 Ω系統(tǒng)可有良好的匹配。

由于電壓控制衰減器根據(jù)控制信號(hào)對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行衰減，電壓控制衰減器的本質(zhì)是幅度調(diào)制器。因此，控制信號(hào)上疊加任何雜波信號(hào)或干擾信號(hào)均會(huì)調(diào)制到RF信號(hào)上，而控制信號(hào)的頻率也有調(diào)制干擾故同樣可調(diào)制到RF信號(hào)上。

假如調(diào)制信號(hào)為m(t)，則其可用式(1)表示

其中，ka為常數(shù);Am為調(diào)制信號(hào)幅度;fm為調(diào)制信號(hào)的頻率。

將上述調(diào)制信號(hào)加入電壓控制衰減器控制端，則輸出信號(hào)可用式(2)表示

其中，μ=ka×Am。由此可看出，調(diào)制信號(hào)的頻譜會(huì)被調(diào)制到射頻信號(hào)頻譜的兩側(cè)。

為防止干擾信號(hào)通過電壓控制衰減器控制端進(jìn)入RF信號(hào)形成調(diào)制干擾，必須對(duì)ALC反饋回路中的器件及電路進(jìn)行必要的濾波處理，將干擾信號(hào)降至最低。

2.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大器的性能直接決定了ALC環(huán)路放大器的性能，因此功率放大電路的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)。本例ALC環(huán)路功放最終輸出功率為44 dBm，增益>44 dB，頻率為3.7～4.2 GHz。由于增益要求較高，功放采用4級(jí)放大器件來實(shí)現(xiàn)性能。第一級(jí)采用RFMD公司的功率單片NBB300，增益15 dB，輸出功率13 dBm;第二級(jí)采用MA—COM公司的功率單片MAAM26100，增益15 dB，輸出功率27 dBm;第3級(jí)采用Toshiba公司的內(nèi)匹配功率管TIM3742-4SL-341，增益10dB，輸出功率36.5dBm;第4級(jí)采用Toshiba公司的內(nèi)匹配功率管TIM3742-30SL-341，增益10dB，輸出功率45dBm。

由于采用的功率器件為功率單片或內(nèi)匹配功率管，電路無需仿真匹配，但功率管的偏置電路需特別注意。圖3為功率管偏置電路的詳細(xì)偏置電路。

功率管熱耗過大，因此需良好的散熱，防止功率管過熱而產(chǎn)生熱燒毀現(xiàn)象。另外，由于砷化鎵功率管的材料特性，功率管加電有嚴(yán)格的順序，即柵極電壓需先于漏極電壓。

2.3 功率檢波電路設(shè)計(jì)

大功率檢波電路有較多種電路來實(shí)現(xiàn)，通過功分或耦合出合適的功率，經(jīng)檢波二極管或?qū)Ｓ玫墓β蕶z波器對(duì)輸出功率進(jìn)行檢波。

由于檢波電路在功率輸出端功率較大，采用功分電路易導(dǎo)致檢波電路和功率輸出電路相互影響。故本方案選擇簡單的微帶線耦合出功率，然后通過檢波二極管進(jìn)行檢波。該方案不影響功放的功率輸出，檢波二極管檢波電路較為簡單，無需加電即可產(chǎn)生檢波電壓。此外，還可減少大功率空間耦合到加電線對(duì)檢波電壓產(chǎn)生的影響。檢波電路原理圖如圖4所示。

檢波電路包括耦合微帶線、檢波二極管、串聯(lián)電阻、匹配電阻、負(fù)載電阻以及負(fù)載電容等。此檢波電路主要是通過負(fù)載電阻、負(fù)載電容組成的充放電進(jìn)行峰值包絡(luò)檢波，因此負(fù)載電阻及電容需進(jìn)行合理的選擇。51Ω電阻起到匹配電路的作用，使耦合微帶信號(hào)有較高地方向性。負(fù)載RC的值決定了放電的時(shí)間常數(shù)，其若過大易引起惰性失真;過小則檢波電壓較小，易受到輻射信號(hào)的干擾。

檢波電壓的特性對(duì)整個(gè)ALC電路具有重要影響，因此需對(duì)檢波電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)及調(diào)試，并進(jìn)行相應(yīng)的濾波，使檢波電壓能符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 運(yùn)放差分放大電路

運(yùn)放差分電路是ALC環(huán)路功放性能指標(biāo)優(yōu)劣的關(guān)鍵電路，其負(fù)責(zé)將檢波電路的檢波電壓與參考電壓進(jìn)行差分放大，并經(jīng)適當(dāng)濾波后控制模擬衰減器。另外，因可實(shí)現(xiàn)ALC環(huán)路控制的電路較多，故選擇簡單的運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)功放輸出功率增大時(shí)，檢波電壓升高，運(yùn)放差分電路輸出電壓升高，電壓控制衰減器衰減量增大，功放增益下降，輸出功率下降，由此確保輸出功率恒定。運(yùn)放差分電路原理圖如圖5所示。

運(yùn)放差分電路的參考電壓Vref決定了功率放大器的輸出功率大小，因此改變參考電壓的數(shù)值便可改變輸出功率的大小。差分放大倍數(shù)由反饋電阻與串聯(lián)電阻的比值決定，差分放大倍數(shù)越大，ALC控制電路的作用越明顯，輸出功率的穩(wěn)定性也越好，但放大倍數(shù)過大易造成震蕩。因此，根據(jù)電路結(jié)合實(shí)際調(diào)試決定最終的放大倍數(shù)。圖5為50倍的差分放大電路，是根據(jù)實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)得出的較為折中的數(shù)值。

3 實(shí)際電路性能

實(shí)際制作的ALC環(huán)路功率放大器，輸入信號(hào)在0～10 dBm之間，功放的最終輸出功率能保證較好地穩(wěn)定度，如圖6所所示。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

隨著輸入信號(hào)變化，功放輸出功率在0.2 dB范圍內(nèi)變化，可看出功放的輸出功率具有較為理想的穩(wěn)定度。此外，通過ALC功率放大器的幅頻掃描曲線可看出，功放能在工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的輸出功率平坦度。最終制作出的ALC功放在整個(gè)工作帶寬內(nèi)的幅度平坦度為0.15 dB。

雖ALC功放具有較好的穩(wěn)定性，但由于檢波二極管的檢波電壓在高低溫下具有較大溫漂，對(duì)功放輸出功率穩(wěn)定性有較大影響。通過對(duì)實(shí)際制作的功放進(jìn)行高低溫測試，發(fā)現(xiàn)二極管的溫度特性對(duì)功放輸出功率變化的影響達(dá)到0.8 dB。因此，對(duì)檢波二極管的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償尤為重要。由于運(yùn)放差分電路的參考電壓Vref決定了功率放大器的輸出功率大小，故可通過在高低溫下改變參考電壓的方法對(duì)檢波二極管的特性進(jìn)行補(bǔ)償。通過合理的補(bǔ)償，在高低溫及輸入信號(hào)變化的情況下ALC功放的輸出功率變化范圍為0.4 dB。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)制作的ALC功放，在高低溫下均具有較好的輸出功率穩(wěn)定性，且在工作帶內(nèi)能實(shí)現(xiàn)較好的平坦度，并具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)的ALC電路不僅可用于功率放大器中，也可應(yīng)用到需要對(duì)信號(hào)輸出功率進(jìn)行控制的任意微波系統(tǒng)之中。