一种用于固态功率放大器的ALC电路

李洪涛 ，梁显锋 ，熊蔚明

(1.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190)

随着微波功率半导体器件技术的发展，微波固态功率放大器在中小功率应用领域凭借其自身优势正在逐步替代行波管功率放大器。与行波管功率放大器相比，固态功率放大器在实现较高输出功率的同时，还具有体积小、重量轻、可靠性高、研发成本低等特点[1]。因此，固态功率放大器在通信系统中应用越来越广泛。

固态功率放大器链路由小信号放大器、驱动级放大器以及末级高功率放大器等多级电路组成。每级放大电路的增益在一定温度范围内为固定值，当输入信号功率增大超过一定值时，前级小信号放大器中的功率管会进入过驱动状态，使得功率管的使用寿命大大降低，放大器的稳定性也会受到不利影响。同时，信号功率过大会导致功率放大器进入饱和工作状态，引起传输信号产生非线性失真，降低传输信号性能。

防止功率放大器进入过驱状态的常用方法有两种，一种是通过设计合适的放大器链路将过驱动功率分担到多个放大器中。但是这种链路设计比较复杂，特别是工作条件发生变化时，放大器链路的设计会变得更加困难。另一种方法是在微波频段使用限幅器。限幅器会增加微波电路设计的复杂度，并且其特性也会随工作条件发生变化，对放大器电路产生不利影响。因此，这两种方法都不能完全实现对放大器的过驱动保护[2]。

为实现对放大器增益和功率的控制功能，并且降低甚至消除放大器工作条件变化对放大器特性的影响，本文设计出用于固态功放的自动电平控制ALC(Automatic Level Control)电路，根据输出信号功率自动调整可变衰减器衰减量，防止小信号放大器中的功率管进入过驱动状态，并且稳定小信号放大器输出功率，保证传输到后级功率放大器的信号功率恒定[3]并确保传输信号的性能。放大器工作频率为 8.0 GHz～8.5 GHz，室温条件下，当输入信号功率在-5 dBm～+5 dBm之间变化时，在ALC电路的控制下放大器输出功率稳定在13.2 dBm～13.7 dBm。

1 电路原理

ALC电路系统主要包括可变衰减器、MMIC放大器、功率管放大电路、微波信号检波电路以及反馈控制电路，基本原理框图如图1所示。

图1 ALC电路系统原理图

在ALC电路系统中，反馈控制电路能够降低甚至消除可变衰减器和功率放大器特性变化对输出信号功率的影响[2]。输出信号功率Pout发生变动时，检波直流电压Vdec随之改变。Vdec与参考电压Vref通过积分电路后得到控制电压Vc，通过调整可变衰减器的衰减量可以保证输出信号功率恒定。当Pout变高时，Vdec相应升高。由于Vref保持固定，因此积分控制电路输出电压 Vc（Vc为负值）会一直降低，增加可变衰减器的衰减量，从而降低输出信号功率 Pout。 Pout降低引起 Vdec减小。 在 Vdec减小到 Vref之前，控制过程会循环进行，直至Vdec和 Vref相等，Vc保持恒定，Pout保持恒定，电路达到稳定状态。Pout变低时，控制过程类似，最终Pout稳定在同一数值[4]。

控制电路在t=0时刻开始起控，积分电路的输出电压Vc(t)和检波电压Vdec(t)的关系为：

检波电压用Vdec(t)=f1[Pout(t)]表示，衰减量用Atten(t)=f2[Vc(t)]表示，输出信号功率和输入信号功率的关系为：

其中，df2[Vc(t)]/dVc(t)表示可变衰减器衰减特性曲线斜率，其值不为零。Pin(t)停止变化后，dPin(t)/dt=0；系统稳定（即 Pout(t)稳定）后，dPout(t)/dt=0，则有如下关系式：

即：

式(4)表明，在 ALC电路控制下输出功率 Pout(t)由参考电压Vref和检波电路特性决定。因此，只要检波电路性能稳定以及参考电压固定，输出信号功率即可维持恒定。

2 电路设计

根据图1所示原理图，ALC电路系统中的各电路设计指标如表1所示，输出功率最终稳定在13.5 dBm。在设计指标基础上，分别对各电路进行设计和测试。

2.1 可变衰减器电路

可变衰减器电路原理图如图2所示。可变衰减器型号为 HMC346G8，控制电压范围为 0～-3.0 V，动态衰减范围超过20 dB。可变衰减器芯片需要两路电压V1和V2进行控制，利用运放电路结合衰减器芯片内部电路可以产生控制电压V2，V1需要外接控制电压。

表1 ALC电路各器件性能参数

图2 可变衰减器电路原理图

可变衰减器衰减量与控制电压关系测试结果如图3所示。控制电压范围为-3 V～0 V，可变衰减器最大衰减量可达到20 dB。

图3 可变衰减器衰减量和V1关系

2.2 放大器电路

MMIC放大器型号为MAAM2800A1，放大器芯片供电电压为+9 V，输入输出均已匹配到 50 Ω，使用时直接与50 Ω微带线相连即可。功率管型号为FSX017WF，功率管栅极偏置通过-5 V电源由18 kΩ和2 kΩ电阻分压获得，电压值为-0.5 V；漏极偏置电压通过+9 V电源和38 Ω串联电阻提供，电压值为 7.6 V，小于数据手册中给出的8 V，保证功率管能够稳定工作。功率管栅极和漏极偏置电路均由四分之一波长高阻抗微带线和扇形微带线组成，其作用是防止直流信号对微波信号传输产生影响，同时避免微波信号泄露。

图4为放大器增益特性测试结果图。在8.0 GHz～8.5 GHz频率范围内，放大器增益约为18.4 dB，波动小于±0.25 dB。

图4 放大器增益频率特性

2.3 积分控制电路

积分控制电路由运算放大器和电阻电容组成，电路原理图如图5所示。输入信号功率发生阶跃变动时，一阶积分电路可以消除输出信号功率波动，维持输出功率恒定[5]。同时，积分控制电路时间常数RC也决定了ALC电路的响应时间。若RC过大，则ALC电路响应时间过长，输出功率需经过较长时间才能稳定；但是若RC小于其他电路的响应时间之和，则系统容易出现震荡。实际应用中，R=1 kΩ，C=1 nF。

图5 积分控制电路原理图

2.4 微波信号功率检测电路

微波信号功率检测电路通过零偏置二极管检波电路实现，原理图如图6所示，包括检波二极管、限流电阻R0、负载电阻RL以及滤波电容。RL代表后级电压放大电路的输入电阻。微波信号功率检测电路的频率特性会对输出信号功率的频率特性产生较大影响，它在ALC电路中的作用非常关键[6]。

在8.25 GHz工作频率测得检波电压Vdec和输出功率Pout关系如图7所示。通过数据拟合得出二者的关系为：

检波二极管的非线性效应主要由肖特基势垒结产生[7]。施加在肖特基势垒结上的电压Vj受到检波二极管自身参数以及匹配电阻Rmatch、限流电阻R0的影响。改变电阻Rmatch和R0能够调节检波电路的直流电流，实现对检波电路频率特性的调节[8]。

图6 微波信号功率检测电路

图7 8.2 GHz频率处Vdec和Pout的关系

设计并调试完成后的ALC电路尺寸大小为170 mm×70 mm×20 mm，由上侧腔体内的微波电路和下侧腔体内的低频控制电路组成，直流电压通过穿心电容连接到微波电路。

3 结果分析

3.1 参考电压Vref控制特性

在8.2 GHz频率处，设定输入信号功率为0 dBm，测得在ALC电路控制下输出Pout和参考电压Vref的关系如图8所示。Pout可以通过Vref进行调节，因此通过补偿Vref能够实现Pout的补偿。从结果还可得出，Pout和Vref的关系与功率检测电路有关。

图8 8.2 GHz频率处Pout和Vref的关系

3.2 漏极偏压变化对输出功率的影响

工作条件(如温度、直流供电电压等)变化会引起功率放大器增益出现变动。漏极偏压变动时，功率放大器输出功率变化的测试结果如表2所示。

表2 漏极偏压变化对Pout的影响

根据表2测试结果，当放大器漏极偏压从9.0 V降至8.0 V时，无ALC电路时放大器输出功率Pout1变化约为1.8 dB，而在ALC电路控制下输出功率Pout2为13.63 dBm，几乎没有波动。因此，ALC电路减小了漏极偏压变动对输出功率的影响。

3.3 输入输出特性以及频率特性

设定参考电压Vref为110 mV，调节信号发生器输出功率分别为-5 dBm、0 dBm以及+5 dBm的信号，以20 MHz为步长测出输出信号在8.0 GHz～8.5 GHz范围内的频率特性，结果如图9所示。在ALC电路控制下，当输入信号功率在-5 dBm～+5 dBm范围变化时，在8.0 GHz～8.5 GHz频率范围内，放大器输出信号功率波动范围小于0.5 dB，稳定在13.2 dBm～13.7 dBm之间。

图9 输出功率测试结果

本文设计出应用于X波段固态功率放大器的ALC电路，通过调节可变衰减器的衰减量对输出功率进行控制，在室温条件下，当输入信号功率变动或直流偏置电压变化时能够维持输出功率波动小于0.5 dB，起到了稳定输出功率的作用，保证功率放大器能够正常工作。文中提出的ALC电路不仅可以用于固态功率放大器中，也可用于任意需要对信号功率进行控制的微波系统中。在常温测试的基础上，后续工作将对ALC电路以及放大器的温度特性进行测试研究。

[1]张利飞.微波固态功率放大器的研制[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.

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