《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于固態(tài)功率放大器的ALC電路
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
李洪濤1，2，梁顯鋒1，熊蔚明1
1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190； 2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190
摘要： 設(shè)計了一種用于X波段固態(tài)功放的ALC電路，根據(jù)輸出信號功率控制可變衰減器的衰減量，對放大器的增益和輸出功率進行調(diào)節(jié)。放大器工作頻率范圍為8.0 GHz～8.5 GHz。在室溫條件下，當(dāng)輸入功率在-5 dBm～+5 dBm范圍變化時，在ALC電路控制下放大器輸出功率穩(wěn)定在13.2 dBm～13.7 dBm之間，增益波動小于0.5 dB。
中圖分類號： TN830
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)08-0029-04
Design of ALC circuit applied in SSPA
Li Hongtao1，2，Liang Xianfeng1，Xiong Weiming1
1.Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China； 2.Graduate University of Chinese Academy Sciences，Beijing 100190，China
Abstract： The ALC circuit applied in X-band solid-state power amplifier(SSPA) has been designed. By detecting the output power, the ALC circuit controls the variable attenuator to regulate the output power and the gain of the power amplifier. The operating frequency of the amplifier ranges from 8.0 GHz to 8.5 GHz. At room temperature, the gain flatness of the amplifier is below 0.5 dB and the output power is between 13.2 dBm and 13.7 dBm，with the input power varying from -5.0 dBm to 5.0 dBm.
Key words : X-band；automatic level control；SSPA；output power

    隨著微波功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，微波固態(tài)功率放大器在中小功率應(yīng)用領(lǐng)域憑借其自身優(yōu)勢正在逐步替代行波管功率放大器。與行波管功率放大器相比，固態(tài)功率放大器在實現(xiàn)較高輸出功率的同時，還具有體積小、重量輕、可靠性高、研發(fā)成本低等特點[1]。因此，固態(tài)功率放大器在通信系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。

    固態(tài)功率放大器鏈路由小信號放大器、驅(qū)動級放大器以及末級高功率放大器等多級電路組成。每級放大電路的增益在一定溫度范圍內(nèi)為固定值，當(dāng)輸入信號功率增大超過一定值時，前級小信號放大器中的功率管會進入過驅(qū)動狀態(tài)，使得功率管的使用壽命大大降低，放大器的穩(wěn)定性也會受到不利影響。同時，信號功率過大會導(dǎo)致功率放大器進入飽和工作狀態(tài)，引起傳輸信號產(chǎn)生非線性失真，降低傳輸信號性能。
    防止功率放大器進入過驅(qū)狀態(tài)的常用方法有兩種，一種是通過設(shè)計合適的放大器鏈路將過驅(qū)動功率分擔(dān)到多個放大器中。但是這種鏈路設(shè)計比較復(fù)雜，特別是工作條件發(fā)生變化時，放大器鏈路的設(shè)計會變得更加困難。另一種方法是在微波頻段使用限幅器。限幅器會增加微波電路設(shè)計的復(fù)雜度，并且其特性也會隨工作條件發(fā)生變化，對放大器電路產(chǎn)生不利影響。因此，這兩種方法都不能完全實現(xiàn)對放大器的過驅(qū)動保護[2]。
    為實現(xiàn)對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條件變化對放大器特性的影響，本文設(shè)計出用于固態(tài)功放的自動電平控制ALC(Automatic Level Control)電路，根據(jù)輸出信號功率自動調(diào)整可變衰減器衰減量，防止小信號放大器中的功率管進入過驅(qū)動狀態(tài)，并且穩(wěn)定小信號放大器輸出功率，保證傳輸?shù)胶蠹壒β史糯笃鞯男盘柟β屎愣╗3]并確保傳輸信號的性能。放大器工作頻率為8.0 GHz～8.5 GHz，室溫條件下，當(dāng)輸入信號功率在-5 dBm～+5 dBm之間變化時，在ALC電路的控制下放大器輸出功率穩(wěn)定在13.2 dBm～13.7 dBm。
1 電路原理
    ALC電路系統(tǒng)主要包括可變衰減器、MMIC放大器、功率管放大電路、微波信號檢波電路以及反饋控制電路，基本原理框圖如圖1所示。

 

 

    式(4)表明，在ALC電路控制下輸出功率Pout(t)由參考電壓Vref和檢波電路特性決定。因此，只要檢波電路性能穩(wěn)定以及參考電壓固定，輸出信號功率即可維持恒定。
2 電路設(shè)計
    根據(jù)圖1所示原理圖， ALC電路系統(tǒng)中的各電路設(shè)計指標(biāo)如表1所示，輸出功率最終穩(wěn)定在13.5 dBm。在設(shè)計指標(biāo)基礎(chǔ)上，分別對各電路進行設(shè)計和測試。
2.1 可變衰減器電路
    可變衰減器電路原理圖如圖2所示。可變衰減器型號為HMC346G8，控制電壓范圍為0～-3.0 V，動態(tài)衰減范圍超過20 dB?？勺兯p器芯片需要兩路電壓V1和V2進行控制，利用運放電路結(jié)合衰減器芯片內(nèi)部電路可以產(chǎn)生控制電壓V2，V1需要外接控制電壓。

    可變衰減器衰減量與控制電壓關(guān)系測試結(jié)果如圖3所示?？刂齐妷悍秶鸀?3 V～0 V，可變衰減器最大衰減量可達到20 dB。

2.2 放大器電路
    MMIC放大器型號為MAAM2800A1，放大器芯片供電電壓為+9 V，輸入輸出均已匹配到50 Ω，使用時直接與50 Ω微帶線相連即可。功率管型號為FSX017WF，功率管柵極偏置通過-5 V電源由18 kΩ和2 kΩ電阻分壓獲得，電壓值為-0.5 V；漏極偏置電壓通過+9 V電源和38 Ω串聯(lián)電阻提供，電壓值為7.6 V，小于數(shù)據(jù)手冊中給出的8 V，保證功率管能夠穩(wěn)定工作。功率管柵極和漏極偏置電路均由四分之一波長高阻抗微帶線和扇形微帶線組成，其作用是防止直流信號對微波信號傳輸產(chǎn)生影響，同時避免微波信號泄露。

3.2 漏極偏壓變化對輸出功率的影響
    工作條件(如溫度、直流供電電壓等)變化會引起功率放大器增益出現(xiàn)變動。漏極偏壓變動時，功率放大器輸出功率變化的測試結(jié)果如表2所示。

穩(wěn)定在13.2 dBm～13.7 dBm之間。
    本文設(shè)計出應(yīng)用于X波段固態(tài)功率放大器的ALC電路，通過調(diào)節(jié)可變衰減器的衰減量對輸出功率進行控制，在室溫條件下，當(dāng)輸入信號功率變動或直流偏置電壓變化時能夠維持輸出功率波動小于0.5 dB，起到了穩(wěn)定輸出功率的作用，保證功率放大器能夠正常工作。文中提出的ALC電路不僅可以用于固態(tài)功率放大器中，也可用于任意需要對信號功率進行控制的微波系統(tǒng)中。在常溫測試的基礎(chǔ)上，后續(xù)工作將對ALC電路以及放大器的溫度特性進行測試研究。
參考文獻
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