引 言
自動(dòng)電平控制(auto Level control，ALC)的作用是當輸入電平在較大范圍內變化時(shí)，輸出電平恒定不變，即當輸入信號功率很不穩定或者有較大變化時(shí)，經(jīng)過(guò)ALC環(huán)路穩幅后，輸出信號的功率值都會(huì )穩定在一個(gè)相對恒定的幅度值上。為保證整機輸出功率穩定，在射頻放大器電路中設置ALC環(huán)路電路尤為必要。本文設計的這款電路主要用于信號源后端輸出，可滿(mǎn)足帶寬為0.25～1 000MHz的射頻信號穩幅輸出要求，同時(shí)具有20 dB動(dòng)態(tài)范圍、最大輸出功率滿(mǎn)足+13 dBm±1.5 dB的功能。當前很多ALC環(huán)路電路設計都很復雜、電路龐大、設計成本高，而本文介紹的這款ALC穩幅環(huán)路，在滿(mǎn)足指標要求的前提下，盡量使設計簡(jiǎn)潔，電路簡(jiǎn)化，具有很高的性?xún)r(jià)比。
1 基本原理
ALC環(huán)路框圖如圖1所示。ALC穩幅環(huán)路由調制器、RF放大電路、功分電路、檢波電路、求和運放電路、參考預置電路等幾部份組成，它們構成負反饋環(huán)路。RF射頻信號輸入到調制器，經(jīng)RF射頻放大電路放大，為保證穩幅功率值，最大功率要大于穩幅功率值，并有一定余量，RF射頻放大電路采用兩級功率放大的方式對信號進(jìn)行放大；RF射頻信號經(jīng)RF射頻放大電路放大后，定向耦合器按比例耦合出部分功率，經(jīng)檢波器后產(chǎn)生一個(gè)檢波電壓，與預置參考電壓進(jìn)行求和積分運算，求和電路輸出電壓反饋控制電調衰減器，組成負反饋環(huán)路，使微波信號功率恒定輸出。設定一個(gè)參考預置電壓，經(jīng)求和運放電路后，形成一個(gè)負反饋電壓，負反饋電壓控制調制器衰減量。RF信號經(jīng)調制器衰減后，部分功率按比例功分到檢波電路，經(jīng)檢波器后產(chǎn)生一個(gè)檢波電壓，與預置電壓求和。當檢波電壓大于預置電壓時(shí)，即RF功率大于預置功率，經(jīng)求和電路后，負反饋電壓變小，調制器衰減量變大，RF功率變小，直至求和電路平衡，RF功率穩定；當檢波電壓小于預置電壓時(shí)，即RF功率小于預置功率，經(jīng)求和電路后，反饋電壓變大，調制器衰減量變小，RF功率變大，直至求和電路平衡，RF功率穩定。利用求和積分電路平衡性，組成負反饋ALC環(huán)路，可使輸出RF信號保持恒定。為保證整機輸出功率穩定不變，ALC取樣電路應設置在整機輸出端。為充分利用各級放大器晶體管的使用效率，不致因輸入信號的變化或其他因素引起放大器的增益變化而使放大器進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)，在保證整機噪聲系數的前提下，要求把受控電路置于輸入端，使增益環(huán)路加大，控制靈敏度提高。
由于從取樣到受控電路進(jìn)入控制狀態(tài)需要一定時(shí)間，雖然時(shí)間較短，但當輸入信號或放大器的增益發(fā)生變化時(shí)，也會(huì )使放大器進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)，尤其對末級放大器的影響最為嚴重。末級放大器所選用大功率晶體管的線(xiàn)性輸出功率都不太富裕，只能滿(mǎn)足額定輸出功率下的線(xiàn)性要求，在輸入信號變化較大的情況下，還有可能擊穿大功率晶體管的基射結。因此，在設計整機的自動(dòng)電平控制電路時(shí)，不僅要考慮到輸入信號的影響，而且還要考慮通道增益的變化。
2 關(guān)鍵電路設計
2.1 調制器設計
2.1.1 調制器的工作原理
PIN二極管是常用的調制器元件，當PIN二極管處于正向導通狀態(tài)時(shí)，電子從N層注入到I層，空穴從P層注入到I層。由于I層中存在復合現象，擴散至I層的載流子濃度隨進(jìn)入I層的深度而降低。隨正向偏壓的增加，I層中空穴和電子濃度不斷提高，逐漸趨于大致相等的狀態(tài)，這時(shí)I層的電阻率大為下降，呈現一個(gè)小電阻，改變正向偏流可改變其電阻值。PIN二級管的電阻Rf與正向電流I的關(guān)系可用下面經(jīng)驗公式計算，得：
式中：I為正向電流(mA)；Ka為比例系數，與I層電阻率和總面積有關(guān)，一般在20～50之間。當電流I在0～幾mA內變化時(shí)，Rf在幾Ω～10 kΩ范圍內變化。
正向偏置時(shí)，用作衰減器的PIN二極管I區很薄，I區的電導可用直流偏流來(lái)改變，使該器件成為一個(gè)隨偏流而變化的線(xiàn)性電阻。當外加反向偏壓后，外加電場(chǎng)與內建電場(chǎng)一致，總的電場(chǎng)加強，空間電荷變寬。當外加電壓足夠高時(shí)，整個(gè)I層被耗盡，呈穿通狀態(tài)，此時(shí)二極管等效為一個(gè)小電容，阻抗很高，可視為開(kāi)路。
調制器利用PIN二極管的電阻變化范圍較寬，有一定的線(xiàn)性區域，在理想情況下，斜率為一常數，對射頻信號的衰減量進(jìn)行線(xiàn)性控制。要實(shí)現自動(dòng)電平控制，必須利用這一特性使PIN二極管工作在其線(xiàn)性段，隨控制電壓的不同而調節RF射頻信號的衰減量，實(shí)現最終輸出功率的恒定。
2.1.2 調制器電路設計
由于RF射頻信號頻率覆蓋很寬(0.25～1 000MHz)，這就要求帶寬較寬的調制器，本文選擇Agilent公司的器件HSMP3832(PIN二極管)作為調制器，它可在DC到4GHz頻率范圍內具有良好的線(xiàn)性衰減特性。ALC環(huán)路調制器電路如圖2所示。由于HSMP3832單片有8 dB線(xiàn)性衰減動(dòng)態(tài)范圍，本文采用多管串連模式，通過(guò)4個(gè)管芯串連，整體可達到30 dB線(xiàn)性衰減的動(dòng)態(tài)范圍，這樣就可以滿(mǎn)足ALC環(huán)路20 dB穩幅范圍的要求。
2.2 放大電路設計
RF射頻放大電路是本文設計的重點(diǎn)，它的性能好壞對該系統至關(guān)重要。由于輸入信號頻率從250 kHz到1 GHz，頻帶很寬，這就要求放大器具有很好的帶寬；而考慮到其他部分的插入損耗及PIN管的衰減，在輸入RF射頻信號功率為+0 dBm±1.5 dB時(shí)，功率放大增益至少為18 dB才能保證輸出信號為+13 dBm，單級放大已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足。本文選用兩級功率放大方式：前級放大器為低噪聲放大器，選擇PHILIPS公司的BFQ34；后級為中功率放大器，選擇了PHILIPS公司的LTE21009R。
2.2.1 前級放大電路設計
ALC環(huán)路前級放大器電路如圖3所示，BFQ34是一款高性能的放大器芯片，工作頻率從DC到4 GHz，典型增益為16.3 dB，壓縮點(diǎn)P1dB為26 dBm。GUM是放大器最大增益，如下所示：
2.2.2 后級放大電路設計
后級放大電路選用HILIPS公司的LTE21009R，LTE21009也是一款高性能的放大器芯片，工作頻率從DC到4.2 GHz，典型增益大于10 dB，壓縮點(diǎn)P1dB為28 dBm,，ALC環(huán)路后級放大電路如圖4所示，RF信號經(jīng)C3交流耦合輸入，C3、C5為隔直電容；C4為交流負反饋電容，為了得到較大功率，使LTE21009工作在最大功放狀態(tài)，C4選擇了較大容值；L1為隔交流電感，因為這里頻段較寬，就要求L1不僅有較好的低頻響應，還要有很好的高頻響應，如果沒(méi)有單個(gè)寬頻段頻響電感，可選用低頻電感和高頻電感串連方式替代。
2.2.3 放大電路功率分配
RF射頻信號通過(guò)調制器后，信號插損3 dB左右，考慮到功分器損耗及電路損耗，RF射頻放大電路要求不低于18 dB增益。兩級放大電路功率增益分別是：前級放大器增益優(yōu)于8 dB，根據實(shí)際設計效果，BFQ34足夠滿(mǎn)足這一指標；后級放大器增益優(yōu)于10 dB，LTE21009也可足夠滿(mǎn)足這一指標。因為還要考慮噪聲影響，這里BFQ34增益并不要調到最大增益，在滿(mǎn)足整體功率要求同時(shí)，盡量減少噪聲影響。這2種放大器都是功率放大器件，需要良好散熱，否則會(huì )使器件因為過(guò)熱而損壞。
2.3 功分檢波電路設計
功分檢波電路一般會(huì )選擇微波集成模塊完成，而微波集成模塊一般低端只能到10 MHz，不能覆蓋到252 kHz的頻率，而且模塊體積較大，會(huì )占用很大空間，在這里本文設計了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的功分檢波電路。如圖5所示，采用電阻功分方式按比例功分一部分RF射頻功率輸出到檢波器，這種功分方式對RF信號輸出功率影響相對較小，經(jīng)過(guò)功分器后，信號插損小于2 dB。因為RF射頻信號帶寬較寬(0.25～1 000 MHz)，檢波器也要滿(mǎn)足這一要求，檢波器選擇選擇Agilent公司的器件HSMP2815。HSMP2815是內部帶溫度補償的肖特基二極管RF檢波器，輸入功率從-30 dBm至+15 dBm，檢波頻率從100 kHz到4 GHz。利用肖特基二極管和外部電容來(lái)對RF輸入電壓進(jìn)行峰植檢波，檢波電壓輸出用于后端求和電路。
3 實(shí)際電路設計效果
本設計主要是針對信號源實(shí)現功率穩定輸出一款電路，針對RF射頻信號滿(mǎn)足以下指標要求：(1)頻率范圍為0.25～1 000 MHz；(2)穩幅輸出動(dòng)態(tài)范圍為-7～+13 dBm；(3)功率準確度為±1.5 dBm；(4)最大穩幅功率為+13dBm。
測試結果如表1和表2所示。
4 結 論
本文的ALC環(huán)路具有寬頻響(0.25～1 000 MHz)、寬動(dòng)態(tài)范圍(20 dB動(dòng)態(tài)范圍)、高功率(最大輸出功率可達到+13 dBm)、低噪聲、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的穩幅環(huán)路。
