微波功率放大器的ALC環(huán)路設計

摘要 針對ALC環(huán)路的設計電路復雜、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，詳細介紹了各部分電路的原理和電路設計。設計的ALC環(huán)路在S波段超過10%的帶寬下實現(xiàn)了0.15 dB的輸出功率平坦度，且在輸入信號5±5dBm的變化下輸出功率僅變化了0.2 dB。

ALC(自動電平控制)環(huán)路控制屬于反饋控制電路的一種，其作用是當輸入信號變化較大時，功率放大器的輸出功率基本保持不變。具體而言，即當輸入信號較小時，ALC電路不起作用;而當輸入信號變大到一定程度后，ALC電路開始作用，并根據(jù)輸入信號的大小動態(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)，同時當輸入信號功率超過額定輸入功率時，防止功放過激勵而損壞。設計的ALC控制電路簡潔易實現(xiàn)，且具有>20 dB的動態(tài)范圍，并在S波段超過10%的相對帶寬內(nèi)實現(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、參考預置電路、功放檢波電壓進行處理電路和濾波電路，通過以上電路構(gòu)成了完整的負反饋環(huán)路。

輸入信號首先進入電壓控制衰減器，然后進入功率放大器對信號進行放大，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，否則會因工作頻帶的平坦度問題使某些頻點進入飽和區(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，檢波電路根據(jù)耦合出的信號產(chǎn)生一個檢波電壓，檢波電壓與參考預置電路電壓進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，耦合電路耦合出的信號增大，使檢波電壓增大，檢波電壓與參考預置電壓經(jīng)運放差分放大后產(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，從而使整個功放增益降低，功放輸出減小，并形成動態(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，耦合電路耦合出的信號減小，使得檢波電壓減小，檢波電壓與參考預置電壓經(jīng)過運放差分放大后產(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，也使整個功放增益升高，從而使功放輸出增大，最終形成動態(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)路設計時還需考慮整個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)路起作用有一個過程且經(jīng)過負反饋的反復調(diào)整才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)前有一個波動過程，在此過程中，功率放大鏈路的增益變化較大，因而有可能對功率器件尤其是末級功率管造成損壞，故在設計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)定前的增益波動或輸入功率變化對功率器件的沖擊。

2 電路設計

2.1 壓控衰減器電路設計

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。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)控制信號對RF信號進行衰減，電壓控制衰減器的本質(zhì)是幅度調(diào)制器。因此，控制信號上疊加任何雜波信號或干擾信號均會調(diào)制到RF信號上，而控制信號的頻率也有調(diào)制干擾故同樣可調(diào)制到RF信號上。

假如調(diào)制信號為m(t)，則其可用式(1)表示

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

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

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

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

2.2 功率放大電路設計

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計是基礎。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級放大器件來實現(xiàn)性能。第一級采用RFMD公司的功率單片NBB300，增益15 dB，輸出功率13 dBm;第二級采用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 功率檢波電路設計

大功率檢波電路有較多種電路來實現(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波器對輸出功率進行檢波。

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

檢波電壓的特性對整個ALC電路具有重要影響，因此需對檢波電路進行詳細的設計及調(diào)試，并進行相應的濾波，使檢波電壓能符合設計要求。

2.4 運放差分放大電路

運放差分電路是ALC環(huán)路功放性能指標優(yōu)劣的關(guān)鍵電路，其負責將檢波電路的檢波電壓與參考電壓進行差分放大，并經(jīng)適當濾波后控制模擬衰減器。另外，因可實現(xiàn)ALC環(huán)路控制的電路較多，故選擇簡單的運放來實現(xiàn)。當功放輸出功率增大時，檢波電壓升高，運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。運放差分電路原理圖如圖5所示。

運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)實際調(diào)試試驗得出的較為折中的數(shù)值。

3 實際電路性能

實際制作的ALC環(huán)路功率放大器，輸入信號在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。實測數(shù)據(jù)如表1所示。

隨著輸入信號變化，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)實現(xiàn)較好的輸出功率平坦度。最終制作出的ALC功放在整個工作帶寬內(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，對功放輸出功率穩(wěn)定性有較大影響。通過對實際制作的功放進行高低溫測試，發(fā)現(xiàn)二極管的溫度特性對功放輸出功率變化的影響達到0.8 dB。因此，對檢波二極管的溫度特性進行補償尤為重要。由于運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檢波二極管的特性進行補償。通過合理的補償，在高低溫及輸入信號變化的情況下ALC功放的輸出功率變化范圍為0.4 dB。

4 結(jié)束語

設計制作的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)能實現(xiàn)較好的平坦度，并具有簡單實用的特點。該設計的ALC電路不僅可用于功率放大器中，也可應用到需要對信號輸出功率進行控制的任意微波系統(tǒng)之中。