微波功率放大器的ALC环路设计

摘要 针对ALC环路的设计电路复杂、成本较高。文中提出了一种电路简洁且成本较低的ALC环路，该ALC环路由检波部分电路、电压控制衰减器部分电路及差分控制电路组成，详细介绍了各部分电路的原理和电路设计。设计的ALC环路在S波段超过10%的带宽下实现了0.15 dB的输出功率平坦度，且在输入信号5±5dBm的变化下输出功率仅变化了0.2 dB。

ALC(自动电平控制)环路控制属于反馈控制电路的一种，其作用是当输入信号变化较大时，功率放大器的输出功率基本保持不变。具体而言，即当输入信号较小时，ALC电路不起作用;而当输入信号变大到一定程度后，ALC电路开始作用，并根据输入信号的大小动态调整功率放大器的增益，使输出功率保持不变。

在功率放大器中，ALC的主要作用是限制功放输出功率以使其工作在线性状态，同时当输入信号功率超过额定输入功率时，防止功放过激励而损坏。设计的ALC控制电路简洁易实现，且具有>20 dB的动态范围，并在S波段超过10%的相对带宽内实现了ALC环路控制。

1 ALC环路控制的基本原理

ALC环路控制电路主要包含可变增益器件、功率放大器、检波电路、参考预置电路、功放检波电压进行处理电路和滤波电路，通过以上电路构成了完整的负反馈环路。

输入信号首先进入电压控制衰减器，然后进入功率放大器对信号进行放大，由于ALC环路起作用后使功率放大器工作在线性状态，即功放的最大功率需大于ALC起作用后的输出功率，通常需>0.5 dB，否则会因工作频带的平坦度问题使某些频点进入饱和区而无法使ALC环路起控。功放输出端的耦合电路耦合出约35 dB的信号，检波电路根据耦合出的信号产生一个检波电压，检波电压与参考预置电路电压进行差分放大输出初步的反馈控制电压，经滤波电路后反馈控制功放输入端的电压控制衰减器，从而形成完整的负反馈环路即ALC环路，最终使输出功率保持恒定。如功放由于温度或其他原因增益升高、输出功率变大时，耦合电路耦合出的信号增大，使检波电压增大，检波电压与参考预置电压经运放差分放大后产生控制电压控制衰减器的电压，该电压使衰减器衰减量增加，从而使整个功放增益降低，功放输出减小，并形成动态平衡，使放大器输出功率趋于恒定;反之，如功放由于温度或其他原因增益降低、输出功率变小时，耦合电路耦合出的信号减小，使得检波电压减小，检波电压与参考预置电压经过运放差分放大后产生控制电压控制衰减器的电压，该电压使衰减器衰减量减小，也使整个功放增益升高，从而使功放输出增大，最终形成动态平衡，使放大器输出趋于恒定。

ALC环路中压控衰减器通常放在功放的输入端，这是为了增大环路的动态范围，且因通常电压控制衰减器无法承受过大的输入功率。而耦合电路一般放在功放的输出端，是为了使功放的输出功率更加稳定。

ALC环路设计时还需考虑整个功率放大链路的增益及功率器件的选择，其是由于ALC环路起作用后功率链路中的器件工作在线性状态，此时功率器件工作在安全范围内，但由于ALC环路起作用有一个过程且经过负反馈的反复调整才能达到稳定状态。因此，在稳定状态前有一个波动过程，在此过程中，功率放大链路的增益变化较大，因而有可能对功率器件尤其是末级功率管造成损坏，故在设计初期需注意功率器件的

输入功率承受能力。由此避免ALC稳定前的增益波动或输入功率变化对功率器件的冲击。

2 电路设计

2.1 压控衰减器电路设计

电压控制衰减器选用Hittite公司的模拟电压控制衰减器HMC346作为可变增益器件，其控制电压为0～-3 V，在DC～8 CHz的频率范围内具有>30 dB的衰减量，且具有较小的相位变化和较低的插损;而射频信号输入输出口匹配50 Ω系统，并在30 dB衰减范围内具有良好的驻波。

该衰减器包含两部分电路：第一部分电路功能为衰减RF信号。第二部分电路为参考衰减电路，其与外部电路共同工作使器件在30 dB衰减范围内保持射频输入输出端口良好的驻波，并使其阻抗与50 Ω系统可有良好的匹配。

由于电压控制衰减器根据控制信号对RF信号进行衰减，电压控制衰减器的本质是幅度调制器。因此，控制信号上叠加任何杂波信号或干扰信号均会调制到RF信号上，而控制信号的频率也有调制干扰故同样可调制到RF信号上。

假如调制信号为m(t)，则其可用式(1)表示

其中，ka为常数;Am为调制信号幅度;fm为调制信号的频率。

将上述调制信号加入电压控制衰减器控制端，则输出信号可用式(2)表示

其中，μ=ka×Am。由此可看出，调制信号的频谱会被调制到射频信号频谱的两侧。

为防止干扰信号通过电压控制衰减器控制端进入RF信号形成调制干扰，必须对ALC反馈回路中的器件及电路进行必要的滤波处理，将干扰信号降至最低。

2.2 功率放大电路设计

功率放大器的性能直接决定了ALC环路放大器的性能，因此功率放大电路的设计是基础。本例ALC环路功放最终输出功率为44 dBm，增益>44 dB，频率为3.7～4.2 GHz。由于增益要求较高，功放采用4级放大器件来实现性能。第一级采用RFMD公司的功率单片NBB300，增益15 dB，输出功率13 dBm;第二级采用MA—COM公司的功率单片MAAM26100，增益15 dB，输出功率27 dBm;第3级采用Toshiba公司的内匹配功率管TIM3742-4SL-341，增益10dB，输出功率36.5dBm;第4级采用Toshiba公司的内匹配功率管TIM3742-30SL-341，增益10dB，输出功率45dBm。

由于采用的功率器件为功率单片或内匹配功率管，电路无需仿真匹配，但功率管的偏置电路需特别注意。图3为功率管偏置电路的详细偏置电路。

功率管热耗过大，因此需良好的散热，防止功率管过热而产生热烧毁现象。另外，由于砷化镓功率管的材料特性，功率管加电有严格的顺序，即栅极电压需先于漏极电压。

2.3 功率检波电路设计

大功率检波电路有较多种电路来实现，通过功分或耦合出合适的功率，经检波二极管或专用的功率检波器对输出功率进行检波。

由于检波电路在功率输出端功率较大，采用功分电路易导致检波电路和功率输出电路相互影响。故本方案选择简单的微带线耦合出功率，然后通过检波二极管进行检波。该方案不影响功放的功率输出，检波二极管检波电路较为简单，无需加电即可产生检波电压。此外，还可减少大功率空间耦合到加电线对检波电压产生的影响。检波电路原理图如图4所示。

检波电路包括耦合微带线、检波二极管、串联电阻、匹配电阻、负载电阻以及负载电容等。此检波电路主要是通过负载电阻、负载电容组成的充放电进行峰值包络检波，因此负载电阻及电容需进行合理的选择。51Ω电阻起到匹配电路的作用，使耦合微带信号有较高地方向性。负载RC的值决定了放电的时间常数，其若过大易引起惰性失真;过小则检波电压较小，易受到辐射信号的干扰。

检波电压的特性对整个ALC电路具有重要影响，因此需对检波电路进行详细的设计及调试，并进行相应的滤波，使检波电压能符合设计要求。

2.4 运放差分放大电路

运放差分电路是ALC环路功放性能指标优劣的关键电路，其负责将检波电路的检波电压与参考电压进行差分放大，并经适当滤波后控制模拟衰减器。另外，因可实现ALC环路控制的电路较多，故选择简单的运放来实现。当功放输出功率增大时，检波电压升高，运放差分电路输出电压升高，电压控制衰减器衰减量增大，功放增益下降，输出功率下降，由此确保输出功率恒定。运放差分电路原理图如图5所示。

运放差分电路的参考电压Vref决定了功率放大器的输出功率大小，因此改变参考电压的数值便可改变输出功率的大小。差分放大倍数由反馈电阻与串联电阻的比值决定，差分放大倍数越大，ALC控制电路的作用越明显，输出功率的稳定性也越好，但放大倍数过大易造成震荡。因此，根据电路结合实际调试决定最终的放大倍数。图5为50倍的差分放大电路，是根据实际调试试验得出的较为折中的数值。

3 实际电路性能

实际制作的ALC环路功率放大器，输入信号在0～10 dBm之间，功放的最终输出功率能保证较好地稳定度，如图6所所示。实测数据如表1所示。

随着输入信号变化，功放输出功率在0.2 dB范围内变化，可看出功放的输出功率具有较为理想的稳定度。此外，通过ALC功率放大器的幅频扫描曲线可看出，功放能在工作带宽内实现较好的输出功率平坦度。最终制作出的ALC功放在整个工作带宽内的幅度平坦度为0.15 dB。

虽ALC功放具有较好的稳定性，但由于检波二极管的检波电压在高低温下具有较大温漂，对功放输出功率稳定性有较大影响。通过对实际制作的功放进行高低温测试，发现二极管的温度特性对功放输出功率变化的影响达到0.8 dB。因此，对检波二极管的温度特性进行补偿尤为重要。由于运放差分电路的参考电压Vref决定了功率放大器的输出功率大小，故可通过在高低温下改变参考电压的方法对检波二极管的特性进行补偿。通过合理的补偿，在高低温及输入信号变化的情况下ALC功放的输出功率变化范围为0.4 dB。

4 结束语

设计制作的ALC功放，在高低温下均具有较好的输出功率稳定性，且在工作带内能实现较好的平坦度，并具有简单实用的特点。该设计的ALC电路不仅可用于功率放大器中，也可应用到需要对信号输出功率进行控制的任意微波系统之中。