微波功率放大器的ALC環路設計

摘要 針對ALC環路的設計電路複雜、成本較高。文中提出了一種電路簡潔且成本較低的ALC環路，該ALC環路由檢波部分電路、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環路在S波段超過10%的帶寬下實現了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。

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ALC(自動電平控制)環路控制屬於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後，ALC電路開始作用，並根據輸入信號的大小動態調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，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，且具有>20 dB的動態範圍，並在S波段超過10%的相對帶寬內實現了ALC環路控制。

1 ALC環路控制的基本原理

ALC環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，通過以上電路構成了完整的負反饋環路。

輸入信號首先進入電壓控制衰減器，然後進入功率放大器對信號進行放大，由於ALC環路起作用後使功率放大器工作在線性狀態，即功放的最大功率需大於ALC起作用後的輸出功率，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而無法使ALC環路起控。功放輸出端的耦合電路耦合出約35 dB的信號，檢波電路根據耦合出的信號產生一個檢波電壓，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，經濾波電路後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路即ALC環路，最終使輸出功率保持恆定。如功放由於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運放差分放大後產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，並形成動態平衡，使放大器輸出功率趨於恆定;反之，如功放由於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過運放差分放大後產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，最終形成動態平衡，使放大器輸出趨於恆定。

ALC環路中壓控衰減器通常放在功放的輸入端，這是為了增大環路的動態範圍，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定。

ALC環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，其是由於ALC環路起作用後功率鏈路中的器件工作在線性狀態，此時功率器件工作在安全範圍內，但由於ALC環路起作用有一個過程且經過負反饋的反覆調整才能達到穩定狀態。因此，在穩定狀態前有一個波動過程，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穩定前的增益波動或輸入功率變化對功率器件的衝擊。

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的頻率範圍內具有>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，並在30 dB衰減範圍內具有良好的駐波。

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衰減範圍內保持射頻輸入輸出埠良好的駐波，並使其阻抗與50 Ω系統可有良好的匹配。

由於電壓控制衰減器根據控制信號對RF信號進行衰減，電壓控制衰減器的本質是幅度調製器。因此，控制信號上疊加任何雜波信號或幹擾信號均會調製到RF信號上，而控制信號的頻率也有調製幹擾故同樣可調製到RF信號上。

假如調製信號為m(t)，則其可用式(1)表示

其中，ka為常數;Am為調製信號幅度;fm為調製信號的頻率。

將上述調製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，調製信號的頻譜會被調製到射頻信號頻譜的兩側。

為防止幹擾信號通過電壓控制衰減器控制端進入RF信號形成調製幹擾，必須對ALC反饋迴路中的器件及電路進行必要的濾波處理，將幹擾信號降至最低。

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。由於增益要求較高，功放採用4級放大器件來實現性能。第一級採用RFMD公司的功率單片NBB300，增益15 dB，輸出功率13 dBm;第二級採用MA—COM公司的功率單片MAAM26100，增益15 dB，輸出功率27 dBm;第3級採用Toshiba公司的內匹配功率管TIM3742-4SL-341，增益10dB，輸出功率36.5dBm;第4級採用Toshiba公司的內匹配功率管TIM3742-30SL-341，增益10dB，輸出功率45dBm。

由於採用的功率器件為功率單片或內匹配功率管，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生熱燒毀現象。另外，由於砷化鎵功率管的材料特性，功率管加電有嚴格的順序，即柵極電壓需先於漏極電壓。

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，通過功分或耦合出合適的功率，經檢波二極體或專用的功率檢波器對輸出功率進行檢波。

由於檢波電路在功率輸出端功率較大，採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，然後通過檢波二極體進行檢波。該方案不影響功放的功率輸出，檢波二極體檢波電路較為簡單，無需加電即可產生檢波電壓。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、檢波二極體、串聯電阻、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，其若過大易引起惰性失真;過小則檢波電壓較小，易受到輻射信號的幹擾。

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試，並進行相應的濾波，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環路功放性能指標優劣的關鍵電路，其負責將檢波電路的檢波電壓與參考電壓進行差分放大，並經適當濾波後控制模擬衰減器。另外，因可實現ALC環路控制的電路較多，故選擇簡單的運放來實現。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，由此確保輸出功率恆定。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值便可改變輸出功率的大小。差分放大倍數由反饋電阻與串聯電阻的比值決定，差分放大倍數越大，ALC控制電路的作用越明顯，輸出功率的穩定性也越好，但放大倍數過大易造成震蕩。因此，根據電路結合實際調試決定最終的放大倍數。圖5為50倍的差分放大電路，是根據實際調試試驗得出的較為折中的數值。

3 實際電路性能

實際製作的ALC環路功率放大器，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定度，如圖6所所示。實測數據如表1所示。

隨著輸入信號變化，功放輸出功率在0.2 dB範圍內變化，可看出功放的輸出功率具有較為理想的穩定度。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實現較好的輸出功率平坦度。最終製作出的ALC功放在整個工作帶寬內的幅度平坦度為0.15 dB。

雖ALC功放具有較好的穩定性，但由於檢波二極體的檢波電壓在高低溫下具有較大溫漂，對功放輸出功率穩定性有較大影響。通過對實際製作的功放進行高低溫測試，發現二極體的溫度特性對功放輸出功率變化的影響達到0.8 dB。因此，對檢波二極體的溫度特性進行補償尤為重要。由於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體的特性進行補償。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範圍為0.4 dB。

4 結束語

設計製作的ALC功放，在高低溫下均具有較好的輸出功率穩定性，且在工作帶內能實現較好的平坦度，並具有簡單實用的特點。該設計的ALC電路不僅可用於功率放大器中，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之中。