摘 要：设计了一种用于X波段固态功放的ALC电路，根据输出信号功率控制可变衰减器的衰减量，对放大器的增益和输出功率进行调节。放大器工作频率范围为8.0 GHz～8.5 GHz。在室温条件下，当输入功率在-5 dBm～+5 dBm范围变化时，在ALC电路控制下放大器输出功率稳定在13.2 dBm～13.7 dBm之间，增益波动小于0.5 dB。
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。
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。
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。
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。
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。
稳定在13.2 dBm～13.7 dBm之间。
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。
参考文献
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